Todo sobre sensores de sonido: Qué son, para qué sirven y cómo se utilizan

Los sensores de sonido representan una pieza fundamental en la tecnología moderna, permitiendo la captura y análisis de señales acústicas en una variedad de contextos. 

---

Estos dispositivos están diseñados para detectar y medir variaciones en la presión del aire, convirtiéndolas en señales eléctricas que pueden ser interpretadas por sistemas informáticos. Desde su invención, los sensores de sonido han evolucionado considerablemente, ofreciendo una mayor sensibilidad, precisión y capacidad de respuesta. Su aplicación abarca desde la monitorización ambiental y la seguridad, hasta la ingeniería de audio y la medicina. En este artículo, se ahondará en los principios de funcionamiento, las aplicaciones y los diferentes tipos existentes.

¿Qué son los sensores de sonido?

Son dispositivos electromecánicos diseñados para detectar y medir la presión acústica en el entorno circundante. Estos sensores transforman las variaciones de presión generadas por ondas sonoras en señales eléctricas, permitiendo así la captura y análisis de sonidos. Utilizados en una amplia gama de aplicaciones, desde la industria automotriz, hasta la tecnología de dispositivos móviles, los sensores de sonido son fundamentales para la detección de ruido, el reconocimiento de voz, la monitorización ambiental y el control de calidad en diversos contextos. Su capacidad para convertir señales acústicas en datos procesables los convierte en herramientas vitales para la ingeniería de audio, la investigación científica y la creación de dispositivos interactivos.

¿Cómo funcionan los sensores de sonido?

Los sensores de sonido detectan y convierten las variaciones de presión generadas por ondas sonoras en señales eléctricas, utilizando principios físicos como la piezoelectricidad o el magnetismo. Estas señales eléctricas son luego procesadas por circuitos internos que amplifican y filtran la señal para obtener una representación precisa del sonido ambiente. Dependiendo de su diseño y aplicación específica, los sensores de sonido pueden emplear diferentes tecnologías, como micrófonos piezoeléctricos, micrófonos de condensador o transductores electromagnéticos, para capturar el sonido y convertirlo en datos utilizables. Una vez transformado en señales eléctricas, el sonido puede ser analizado, procesado y utilizado para una variedad de propósitos, como la detección de sonidos específicos, la medición de niveles de ruido, la grabación de audio o el control de dispositivos activados por voz.

Se compone de un micrófono de condensador con un rango de frecuencia de 50 Hz a 10 kHz, diseñado para captar señales sonoras en ese espectro. Este micrófono consta de dos placas cargadas: un diafragma y una placa posterior, configuradas como un condensador. Cuando las ondas sonoras alcanzan el diafragma, este vibra en respuesta, modificando la distancia entre las placas cargadas y, por consiguiente, la capacitancia del condensador. De esta manera, el cambio genera una señal eléctrica proporcional a la intensidad de la señal sonora recibida.

Posteriormente, la señal eléctrica generada es procesada a través de componentes de circuitos externos para su amplificación y digitalización. Un componente clave en este proceso es el comparador de alta precisión LM393N, que es esencial para la digitalización de la señal eléctrica. Además, el sensor de sonido cuenta con un potenciómetro incorporado que permite ajustar la sensibilidad de la salida digital D0 y adaptar la respuesta del sensor a diferentes niveles de intensidad sonora.

Características de un sensor de sonido

Los sensores de sonido son dispositivos fundamentales en una amplia variedad de aplicaciones. Estos dispositivos poseen características específicas que determinan su rendimiento y utilidad en diferentes contextos. Entre las características clave de un sensor de sonido se encuentran:

• Capacidad para detectar variaciones de presión generadas por ondas sonoras en el ambiente.
• Transformación de estas variaciones en señales eléctricas mediante tecnologías como la piezoelectricidad o el magnetismo.
• Diferentes tecnologías de detección, como micrófonos piezoeléctricos o de condensador, según el diseño del sensor.
• Rangos de frecuencia y sensibilidad variables para adaptarse a distintos entornos y aplicaciones.
• Precisión en la medición del sonido y respuesta en frecuencia adecuada.
• Resistencia al ruido para evitar interferencias no deseadas.
• Posibilidad de integración con otros sistemas o dispositivos para su uso en sistemas más complejos.

Beneficios de los sensores de sonido

• Permiten identificar rápidamente sonidos inusuales o no deseados en entornos industriales, lo que ayuda a prevenir fallos y mejorar la seguridad.
• Facilitan la medición precisa de niveles de ruido en áreas urbanas, industriales o naturales, contribuyendo a la gestión del ruido y la calidad del aire.
• Integran sistemas de control que responden a señales acústicas, optimizando procesos en entornos industriales y domésticos.
• En el campo de la salud, los sensores de sonido son utilizados en equipos de diagnóstico para evaluar la salud auditiva y detectar anomalías en la fonación.
• En dispositivos electrónicos de consumo, como teléfonos inteligentes o asistentes virtuales, los sensores de sonido permiten comandos de voz y reconocimiento de habla, mejorando la experiencia del usuario.
• En campos como la acústica y la psicoacústica, estos sensores son herramientas esenciales para estudiar el comportamiento del sonido y su impacto en diferentes contextos.
• Los sensores de sonido son empleados en sistemas de sonido envolvente y realidad virtual, ofreciendo experiencias auditivas más inmersivas y realistas.
   

---

Conozca sobre: Sensores inteligentes en la industria 4.0: optimización de la producción con visión artificial

---

Utilidad de los sensores de sonido

• Industria automotriz: Se utilizan para detectar ruidos y vibraciones no deseados en los vehículos durante su funcionamiento. Estos sensores pueden identificar anomalías en el motor, la transmisión u otras partes del automóvil que podrían indicar un mal funcionamiento o desgaste prematuro. Además, al monitorear constantemente el nivel de ruido en el interior del vehículo, los fabricantes pueden mejorar la experiencia del usuario al reducir el ruido no deseado y aumentar el confort acústico. Esto no solo mejora la percepción de calidad del vehículo, sino que también contribuye a la seguridad, ya que los ruidos anómalos pueden ser indicadores de problemas mecánicos que podrían causar accidentes.
• Seguridad: En sistemas de seguridad, los sensores de sonido se utilizan para la detección de intrusos o situaciones de emergencia. Estos dispositivos pueden detectar patrones específicos de sonido y activar alarmas o sistemas de alerta para notificar a los propietarios o a las autoridades correspondientes.
• Diagnóstico médico: En el campo de la medicina, los sensores de sonido son fundamentales en equipos de diagnóstico como los ecógrafos. Estos dispositivos utilizan ondas sonoras para visualizar estructuras internas del cuerpo humano, lo que permite a los médicos obtener imágenes detalladas y precisas para diagnosticar diferentes condiciones médicas.
• Domótica y IoT: Los sensores de sonido se integran en sistemas de domótica y el Internet de las cosas (IoT) para ofrecer control de voz en el hogar. Esto permite a los usuarios operar dispositivos electrónicos, como luces, termostatos o electrodomésticos, simplemente emitiendo comandos de voz, lo que mejora la comodidad y la accesibilidad en el entorno doméstico.
• Industria del entretenimiento: En el ámbito del entretenimiento, los sensores de sonido son esenciales en la grabación y reproducción de audio de alta calidad. Además, en tecnologías como la realidad virtual y aumentada, los sensores de sonido contribuyen a crear experiencias inmersivas al proporcionar una representación precisa del audio en entornos virtuales.
• Monitorización ambiental: Los sensores de sonido se utilizan para medir niveles de ruido en áreas urbanas y naturales. Esta información es crucial para evaluar el impacto sonoro en el medio ambiente y la salud pública, así como para desarrollar estrategias de mitigación del ruido y promover un entorno más sostenible y saludable para las comunidades.

Componentes de un sensor de sonido

• Diafragma: Actúa como el componente inicial del sensor, vibrando en respuesta a las ondas sonoras que lo golpean, dando inicio al proceso de conversión de sonido a señales eléctricas.
• Transductor: Transforma la energía mecánica del diafragma vibratorio en señales eléctricas comprensibles, permitiendo la traducción efectiva del sonido físico al lenguaje electrónico.
• Amplificador: Refuerza las señales eléctricas generadas por el transductor, ya que estas suelen ser débiles inicialmente, aumentando su utilidad y facilitando su procesamiento por otros dispositivos electrónicos.
• Módulo de salida: Dirige y gestiona la señal amplificada hacia otros dispositivos o sistemas que requieran estos datos, completando el ciclo de captura y procesamiento del sonido por parte del sensor.

Vínculo entre el sensor de sonido y Arduino

Generalmente implica conectar el sensor al microcontrolador Arduino para que este pueda leer y procesar las señales del sensor. Esta conexión se realiza de la siguiente manera:

• Conexión física: Primero, debes conectar el sensor de sonido al Arduino. La mayoría de los sensores de sonido tienen tres pines: VCC (alimentación), GND (tierra) y una señal de salida analógica o digital. Conecta el pin VCC del sensor al pin de 5V en Arduino, el pin GND al pin GND (tierra) en Arduino y la salida analógica o digital del sensor a un pin de entrada analógica o digital en Arduino (dependiendo del tipo de salida del sensor y de tu preferencia para leer los datos).
• Código Arduino: Después de conectar físicamente el sensor, necesitas escribir el código en el IDE de Arduino para leer los datos del sensor. Esto implica configurar el pin de entrada del sensor en el programa y leer los valores del pin en el bucle principal del código. Dependiendo del tipo de sensor de sonido y de lo que quieras hacer con los datos, el código variará. Luego, podrías realizar alguna acción basada en estos valores, como encender un LED cuando el nivel de sonido excede cierto umbral.
• Procesamiento de datos: Una vez que Arduino ha leído los datos del sensor, puedes procesarlos según sea necesario. Esto podría incluir la manipulación de los datos para filtrar el ruido, calcular estadísticas o activar otras acciones en función de los niveles de sonido detectados.

Tipos de sensores de sonido

1. Sensores de sonido con salida de audio

Estos sensores de sonido con salida de audio son una herramienta fundamental para detectar cualquier tipo de sonido en su entorno, independientemente de su intensidad. Utilizan tecnología analógica convencional, similar a la de los micrófonos estándar, para captar señales sonoras y convertirlas en una salida de audio. Esta salida proporciona una indicación audible cuando se percibe cualquier sonido, lo que los hace útiles para aplicaciones donde se requiere una respuesta audible inmediata ante la detección de sonidos, como en sistemas de alarma o monitoreo de seguridad.

Ventajas

• Ofrecen una detección sensible de cualquier sonido en el entorno
• Proporcionan una respuesta audible inmediata ante la detección de sonidos
• Utilizan tecnología analógica convencional, lo que los hace fáciles de integrar en sistemas existentes

Desventajas

• Pueden generar falsas alarmas si se encuentran en entornos ruidosos
• La salida de audio puede ser difícil de procesar automáticamente en sistemas de monitoreo masivo

2. Sensores de sonido con salida envolve

Los sensores de sonido con salida envolve son capaces de distinguir entre el ruido ambiental y un sonido específico que se considera relevante. Estos sensores son especialmente útiles en entornos ruidosos donde se necesita detectar sonidos por encima del nivel de ruido ambiental para activar un indicador de detección. Utilizan algoritmos de procesamiento de señales para filtrar el ruido no deseado y detectar sonidos específicos.

Ventajas

• Permiten la detección precisa de sonidos relevantes en entornos ruidosos
• Reducen las falsas alarmas al distinguir entre el ruido ambiental y sonidos importantes
• Son útiles en aplicaciones donde se requiere una alta selectividad en la detección de sonidos

Desventajas

• Pueden requerir ajustes y calibraciones para adaptarse a diferentes entornos y tipos de sonidos
• La complejidad de los algoritmos de procesamiento puede aumentar el costo y la complejidad del sistema

3. Sensores de sonido con salida gate

Son dispositivos que detectan niveles de sonido específicos y generan una salida de tipo binario, es decir, que está activa o inactiva. Cuando el nivel de sonido detectado supera un umbral predeterminado, la salida del sensor se activa, indicando la presencia de sonido por encima de cierto nivel. Estos sensores son comúnmente utilizados en aplicaciones donde se necesita detectar la presencia o ausencia de sonido en un entorno determinado. De esta manera, la salida gate simplifica el proceso de detección de sonido al proporcionar una señal clara y fácil de interpretar, que se activa únicamente cuando se supera el umbral de sonido establecido.

Ventajas

• Permiten un control preciso de los niveles de ruido en áreas de trabajo
• Reducen la necesidad de monitoreo constante al activar la detección solo cuando se supera un umbral específico
• Ayudan a garantizar el cumplimiento de regulaciones y normativas de seguridad relacionadas con el ruido

Desventajas

• Requieren configuración y ajustes precisos para establecer los umbrales de detección adecuados
• Pueden no ser adecuados para entornos donde los niveles de ruido fluctúan constantemente

---

Lea también: La evolución de la sensórica en la industria 4.0

---

4. Micrófonos electret

Son un tipo de micrófono que utiliza un material electret para su operación. Un electret es un material dieléctrico que ha sido polarizado eléctricamente de forma permanente o semipermanente. Estos micrófonos utilizan un diafragma que vibra con las ondas sonoras y cambia la capacitancia entre el diafragma y una placa posterior cargada eléctricamente, lo que produce una señal eléctrica que representa el sonido capturado.

Ventajas

• Son económicos y fáciles de encontrar
• Tienen un amplio rango de frecuencia y sensibilidad
• Consumen poca energía, lo que los hace ideales para dispositivos portátiles

Desventajas

• Pueden ser susceptibles a interferencias electromagnéticas
• La calidad del sonido puede no ser tan alta como otros tipos de micrófonos

5. Micrófonos de condensador

Consisten en un diafragma muy delgado que actúa como una de las placas del condensador y una placa posterior fija que actúa como la otra placa. Cuando las ondas sonoras golpean el diafragma, este vibra y cambia la distancia entre las placas, lo que altera la capacitancia y genera una señal eléctrica proporcional al sonido capturado.

Ventajas

• Ofrecen una alta calidad de sonido con una respuesta de frecuencia amplia
• Son ideales para grabaciones de estudio y aplicaciones profesionales
• Tienen una baja distorsión y un alto nivel de detalle en el sonido capturado

Desventajas

• Requieren alimentación phantom o una fuente de energía externa.
• Son más caros que los micrófonos electret y pueden ser más frágiles.

6. Sensores de vibración piezoeléctricos

Están compuestos de materiales piezoeléctricos que generan una carga eléctrica cuando se deforman mecánicamente. Cuando una vibración llega al material piezoeléctrico, este se deforma, lo que genera una carga eléctrica que puede ser medida y convertida en una señal de salida proporcional a la vibración detectada.

Ventajas

• Son robustos y pueden soportar condiciones ambientales adversas
• Tienen una respuesta rápida a las vibraciones, lo que los hace útiles para aplicaciones de detección de golpes o impactos

Desventajas

• No son tan sensibles como los micrófonos para captar sonidos en el aire
• La calidad del sonido capturado puede ser inferior en comparación con los micrófonos tradicionales

7. Sensores de cinta magnética

Son dispositivos que utilizan una cinta magnética como medio de detección de sonido. Esta contiene partículas ferromagnéticas que se magnetizan en respuesta a las variaciones en el campo magnético producido por las ondas sonoras. Estas variaciones magnéticas se convierten en una señal eléctrica mediante un cabezal de lectura magnética, similar a los utilizados en grabadoras de cinta, y se procesan para producir la señal de audio correspondiente.

Ventajas

• Tienen una respuesta de frecuencia amplia y una buena sensibilidad
• Son capaces de capturar sonidos con alta fidelidad y precisión

Desventajas

• Requieren un mantenimiento regular debido al desgaste de la cinta magnética
• Son menos comunes y pueden ser más difíciles de encontrar y reparar en caso de avería

---

Le puede interesar:  La importancia de los sensores en la automatización industrial