Sensores electrónicos como remplazo del sentido auditivo Centro Universitario de Ciencias Exactas (CUCEI), Gdl. Jal.
Villaseñor Lopez Brayan Felipe
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1. Introducción En este documento se analiza el sentido auditivo desde un punto de vista sensorial y a partir de sus características se presentaran diferentes opciones de sensores capaces de sustituir las funciones principales de un oído humano. Se analizaran características como el rango de audición, sensibilidad y la respuesta a la frecuencia. A partir de estos aspectos se seleccionaran los sensores con la mayor similitud y se expondrán las ventajas y desventajas de los mismos. 2. Fisiología del Oído El oído es el órgano sensorial responsable de la audición y del mantenimiento del equilibrio mediante la detección de la posición corporal y del movimiento de la cabeza. Se compone de tres partes: oído externo, medio e interno;
El oído interno está formado por una serie de elementos que cumplen la función de un transductor eléctrico, recibiendo las ondas mecánicas del sonido y convirtiéndolas en señales eléctricas entendibles por el cerebro, sus principales elementos son la cóclea y el nervio auditivo. La cóclea es un conducto rígido en forma de espiral, lleno con dos fluidos de distinta composición. Esta parte también se encarga de brindar equilibrio al mismo. El sonido propagado a través del oído externo y medio llega hasta la cóclea, donde las oscilaciones en los fluidos hacen vibrar a la todas las estructuras que ésta soporta. En la ilustración 1 se muestra el oído y las partes que lo componen [1].
El oído externo está formado por el pabellón auricular, una estructura recubierta de piel, y por el conducto auditivo externo, un cilindro de forma irregular de unos 25 mm de largo [1]. El oído medio consta principalmente de la cavidad timpánica, encargada de igualar la presión y de recuperar la audición perdida por un cambio rápido en la presión barométrica. La cavidad timpánica también contiene los huesecillos martillo, yunque y estribo, que son los que acoplan las ondas mecánicas recibidas por el tímpano y las envían al oído interno.
Ilustración 1. El oído (Hohmann y Schmuckli 1989)
3. Órganos de equilibrio Las células sensoriales se localizan en ampollas de los canales semicirculares dentro de la cóclea y son estimuladas por la presión transmitida a través del fluido (endolinfa) a consecuencia de los movimientos de la cabeza y del cuerpo. El fluido en los canales internos de la cóclea deforma los pequeños vellos que recubren la parte interna de la misma y estos se encargan de transformar las señales mecánicas del sonido en pulsos eléctricos enviados al cerebro por medio del nervio vestibulococlear. El cerebro funciona como un gran sistema de control que recibe señales sobre la posición del cuerpo y en segundos envía señales a los músculos para mantener el equilibrio. 4. Respuesta a la Frecuencia
En el oído medio específicamente en los huesecillos se realiza el acoplamiento de impedancias mecánicas2 entre el aire y los fluidos propios de la cóclea lográndose una conversión de impedancias del orden de 1:20 [2], con lo cual se minimizan las pérdidas por reflexión. El máximo acoplamiento se obtiene en el rango de frecuencias medias, en torno a 1 kHz [4]. En la ilustración 2 se muestra la gráfica del comportamiento del oído en dominio de la frecuencia Esta respuesta sólo es válida cuando el sistema se comporta de modo lineal; es decir, cuando la intensidad del sonido no es muy elevada, para evitar que actúe el reflejo de protección del tímpano. El oído humano puede responder a variaciones mínimas de presión en el aire si se encuentran en el rango de frecuencia audible de 20 Hz - 20 kHz
El conjunto formado por el oído externo y el oído medio forman un sistema cuya respuesta en frecuencia es de tipo pasa bajos1. El conducto auditivo ubicado en el oído externo influye en la respuesta en frecuencia del sistema. Dada la velocidad de propagación del sonido en el aire (334 m/s), y considerando que el conducto mide 25 mm de largo, dicha longitud corresponde a 1/4 de la longitud de onda de una señal sonora de unos 4 kHz, en frecuencias cercanas a esta el oído tiene una mejor respuesta [2]. Adicionalmente, el pabellón auricular, junto con la cabeza, contribuyen a modificar el espectro de la señal sonora. Las señales sonoras que entran al conducto auditivo externo sufren efectos de difracción debidos a la forma del pabellón auricular y la cabeza, estos efectos varían según la dirección de incidencia [3].
1
Un filtro paso bajo permite el paso de las frecuencias bajas y atenúa las frecuencias más altas. 2 La impedancia mecánica es la proporción entre la fuerza aplicada y la velocidad resultante
Ilustración 2. Comportamiento del oído
5. Rango de audición El oído humano puede detectar la intensidad3 en intervalos de presiones e intensidades sonoras bastante grandes: entre 2x10-5 a 20 N/m2 para la amplitud de la presión4 y desde 10-12 hasta 1 w/m2 para la intensidad [5].
3
La intensidad del sonido se define como la potencia acústica por unidad de área 4 1 pascal (Pa) = 1 N/m2 =10 µbar
El valor más bajo en ambos casos se toma como umbral de audición, mientras que el más alto, que produce sensación desagradables en la mayoría de las personas, es el umbral de dolor. Se utilizan escalas logarítmicas para describir los niveles de presión y de intensidad de una onda sonora.
6.1 Micrófono condensador CMA-4544PF-W Principio de funcionamiento: la presión del sonido cambia el espaciamiento entre una delgada membrana metálica y una placa posterior estacionaria. Las placas se cargan con una carga total.
𝑃 𝐿𝑝 = 20 log ( ) , 𝑃𝑜 = 2𝑥10−5 N/𝑚2 𝑃𝑜 𝐼 𝐿𝑖 = 10 log ( ) , 𝐼𝑜 = 10−12 N/𝑚2 𝐼𝑜 Donde P y I son respectivamente presión e intensidad del sonido; Po y Io son los niveles de referencia escogidos como umbral de audición.
𝑄 = 𝐶𝑉 =
𝜀𝐴 𝑉 𝑑
Donde C es la capacidad, V el voltaje de la batería de polarización, A el área de cada placa y d la separación entre placas.
En cuanto a la sensibilidad es capaz de detectar variaciones de presión de menos de una billonésima parte de la presión atmosférica. Sin embargo el oído no mantiene la misma sensibilidad para todas las frecuencias, en la siguiente ilustración se muestra una aproximación al comportamiento de intensidad a distintas frecuencias
Ilustración 4. Micrófono condensador
Un cambio en el espaciamiento de placas originará un cambio en la carga Q y forzará una corriente a través de la resistencia R. Características del modelo CMA-4544PF-W
Ilustración 3. Curvas de Volumen
6. Sensores de audio (micrófonos) Los micrófonos son transductores que detectan señales de sonido y producen una imagen eléctrica del sonido, es decir, producen un voltaje o una corriente que es proporcional a la señal de sonido [6].
Sensibilidad -44±2dB (f=1KHz, 0dB=1V/Pa) Voltaje de operación 3v DC Frecuencia de operación 20-20k Hz Consumo de corriente 0.5 mA Impedancia (Zout) 2.2 kΩ Directividad omnidireccional Temperatura de operación -20 ~ +70° C
En la ilustración 5 se observa una respuesta en la frecuencia bastante lineal con una atenuación mayor a -5dB a partir de los 20kHz.
Ilustración 5. Respuesta en frecuencia (CMA-4544PF-W) [7]
6.2 Micrófono dinámico SM58 El micrófono de bobina móvil o dinámica consta de un diafragma rígido suspendido frente a un imán permanente potente, que cuenta con una hendidura en la que va acoplada una bobina móvil. Cuando las ondas sonoras excitan el diafragma (de 20-30 mm de diámetro), la bobina solidaria se mueve a su vez (hacia delante y hacia atrás) dentro de la ranura del imán. Así la bobina vibra de forma proporcional al sonido registrado y al oscilar dentro del campo magnético del imán permanente se genera una corriente eléctrica proporcional a este sonido [6].
Ilustración 7. Respuesta en frecuencia (SM58) [8]
7. Sensores de equilibrio El giroscopio es un dispositivo que mide el movimiento de rotación o velocidad angular (unidades grados por segundo o revoluciones por segundo). La velocidad angular es simplemente una medida de la velocidad de rotación [9]. Por lo general los giroscopios cuentan con una interfaz del tipo SPI o protocolos de comunicación I2C. El uso de estas interfaces permite una conexión fácil a un microcontrolador. Una de las limitaciones de una interfaz digital es la velocidad de muestreo máxima. El I2C tiene una frecuencia de muestreo máximo de 400 Hz. El SPI, por otro lado, puede tener una frecuencia de muestreo mucho más alta. Giroscopios con una interfaz analógica representan la velocidad de rotación con un voltaje variable, por lo general entre tierra y la tensión de alimentación. Un ADC en un microcontrolador puede ser utilizado para leer la señal.
Ilustración 6. Micrófono Dinámico
Características del modelo SM58
Frecuencia de operación 50-15k Hz Impedancia (Zout) 300Ω Directividad cardiode Sensibilidad -54.5dBV/Pa(1.85mV) 1Pa=94dB
La sensibilidad se mide en mV por grado por segundo. Se determina la cantidad de los cambios de voltaje para una velocidad angular dada. Por ejemplo, si se especifica un giroscopio con una sensibilidad de 30 mV / ° / s y se ve un cambio de 300 mV en la salida, esto quiere decir que el giroscopio rota a 10 º / s.
7.1 Giroscopio ITG3200
Es un integrado que cuenta con un giroscopio MEMS optimizado para aplicaciones en videojuegos y en control remoto 3D.
Convertidor analógico a digital de 16 bit en todos los ejes. El giroscopio dispone de cuatro escalas programables por el usuario: ±250, ±500, ±1000 y ±2000 ° / seg (dps). La escala del acelerómetro es programables por el usuario con valores de ±2g, ±4g, ±8g y ±16g. Sensor de temperatura integrado. Filtro paso bajo programable.
8 Conclusiones
Ilustración 8. Giroscopio
Características
Ejes 3 (X,Y,Z) Rango ±2000°/s Interfaz Digital I2C-16 bits Alimentación 2.1V a 3.6V 6.5 mA Filtro pasa baja programable. Sensor de temperatura.
7.2 Módulo MPU-6050 (giroscopio de tres ejes + acelerómetro triaxial). El circuito integrado de InvenSense MPU-6050 contiene un acelerómetro y giroscopio MEMS en un solo encapsulado.
Ilustración 9. Giroscopio/acelerómetro
Características
Alimentación: 3-5V Comunicación: Digital I2C.
Después de analizar dos tipos diferentes de sensores para las dos características principales del oído humano se decidió utilizar el Micrófono condensador CMA4544PF-W como sensor de audio, es el que más se asemeja al sentido auditivo, donde el rango de frecuencias tanto para el micrófono como para el oído es de 20Hz a 20KHz, además muestra una mejor respuesta a la frecuencia y se comporta de manera casi lineal. Para el sentido del equilibrio se optó por el sensor MPU-6050 (giroscopio de tres ejes + acelerómetro triaxial) pues además de detectar el movimiento angular con un giroscopio tiene integrado un acelerómetro triaxial con el que mide la aceleración en cada uno de los ejes, esto proporciona más información sobre la posición y movimiento del cuerpo a controlar, mejorando el equilibrio del sistema.
Referencias [1] B. Marcel-André, «Organos Sensoriales, El oído,» 2006. [2] J. B. Allen, «Cochlear modeling,» IEEE ASSP Magazine, vol. 1, nº 1, pp. 3-29, 1985. [3] M. R. Schroeder, «Models of hearing,» Proceedings of the IEEE, vol. 63, nº 9, pp. 1332-1350, 1975. [4] E. Zwicker y H. Fastl, « Psychoacoustics: Facts and Models,» Springer, Berlin, 1990. [5] M. R. Schroeder, «Model for mechanical to neural transduction in the auditory receptor,» Journal of the Acoustical Society of America, vol. 55, nº 5, pp. 1055-1060, Mayo 1974. [6] M. Olmo y R. Nave, «hyperphysics, Audio,» [En línea]. [7] CUI INC, «CMA-4544PF-W Datasheet,» Oregon, 2008. [8] SHURE, «SM58 Cardioid Dynamic Microphone Datasheet,» 2009. [9] V. Apostolyuk, «Theory and Design of Micromechanical Vibratory Gyroscopes,» 2006. [10] J. Stuart, «Estimating the significance of errors in audio systems,» de Audio Engineering Society Preprint, New York, 1991. [11] ENDEVCO, «Piezoelectric Microphone 2510M4A Datasheet,» RANCHO VIEJO ROAD, SAN JUAN CAPISTRANO, 2007.
