Download diseño y construcción de un auxiliar auditivo con características

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA
Y ELÉCTRICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
AUXILIAR AUDITI VO CON CARACTERÍSTICAS
DIGITALES”
T
E
S
I
S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y
ELECTRÓNICA
P R E S E N T A
CYNTHYA JOANNA MORENO RODRÍGUEZ
ASESORES
ING. JORGE BECERRA GARCÍA
ING. PATRICIA RAMÍREZ RANGEL
MÉXICO, D.F.
DICIEMBRE 2008
Índice ÍNDICE GENERAL
Índice de figuras
iii
Índice de tablas
v
Objetivos
1
Justificación
1
Introducción
2
CAPÍTULO I: ANTECEDENTES
1.1 Historia.
3
1.2 Evolución de los auxiliares auditivos.
6
CAPÍTULO II: INTRODUCCIÓN TEÓRICA
2.1 Fisiología y Anatomía del oído.
10
2.1.1
Fisiología del oído
10
2.1.2
Anatomía del oído
10
2.2 Audición
11
2.3 Hipoacusia
12
2.4 Auxiliar Auditivo
14
2.4.1
Funcionamiento.
15
2.4.2
Tipos.
20
CAPÍTULO III: ELEMENTOS DE DISEÑO
3.1 Transductores
21
3.1.1
Tipos de micrófonos
21
3.1.2
Tipos de Altoparlantes
24
3.2 Amplificadores Operacionales
28
3.2.1
Arreglos tipo
3.3 Filtros
29
30
3.3.1
Pasa – Altos
30
3.3.2
Pasa – Bajos
31
3.3.3
Pasa Banda
31
3.3.4
Rechaza Banda
31
3.3.5
Filtro de retroalimentación múltiple
32
3.4 Convertidor Analógico- Digital
33
3.5 Montaje de Superficie
36
i Índice CAPÍTULO IV: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
4.1 Etapas del proyecto
39
CAPITULO V: PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 Etapa de Preamplificación
47
5.2 Seguidor de Voltaje
48
5.3 Filtro Pasa Banda
50
5.4 Filtro Pasa Altas
51
5.5 Calibración
52
CAPÍTULO VI: ANÁLISIS DE COSTOS
53
CONCLUSIONES
55
BIBLIOGRAFÍA
56
Apéndice A. Especificaciones Técnicas del micrófono de electret
58
Apéndice B. Especificaciones Técnicas del LM324
60
Apéndice C. Especificaciones Técnicas del ADC0804
61
Apéndice D. Especificaciones Técnicas del audífono AUD-310
63
Apéndice E. Especificaciones Técnicas del DAC0808
64
Anexo A
65
ii Índice ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Ear trumpet (siglo XIX)
6
Figura 1.2 Multi Acousticon
7
Figura 1.3 Acousticon 30
7
Figura 1.4 Crystal ear 38AP
7
Figura 1.5 Acousticon a-55
8
Figura 1.6 Sonotone 79
8
Figura 1.7 Telex 20
8
Figura 1.8 Oticon 550T
8
Figura 1.9 Audioprotesis actuales
9
Figura 2.1 Órganos del oído humano
11
Figura 2.2 Partes del oído
12
Figura 2.4 Partes de un auxiliar auditivo
15
Figura 2.5 Moldes
18
Figura 2.6 Tipos de moldes
19
Figura 2.7 Tipos de auxiliares auditivos
20
Figura 2.8 Lugar en que se ubican los diferentes tipos de auxiliares auditivos
20
Figura 3.1 Diagrama de un micrófono piezoeléctrico
21
Figura 3.2 Cápsula de un micrófono dinámico o de bobina móvil
22
Figura 3.3 Diagrama de un micrófono magnético
22
Figura 3.4 Cápsula de un micrófono de carbón
22
Figura 3.5 Micrófono de condensador
23
Figura 3.6 Cápsula de un micrófono electroestático de etipo electret
24
Figura 3.7 Sección de un altavoz dinámico de bobina móvil
25
Figura 3.8 Sección de un altavoz electroestático típico
25
Figura 3.9 Esquema eléctrico de una configuración simétrica
26
Figura 3.10 Elemento transductor de cinta
26
Figura 3.11 Vistas de auriculares
27
Figura 3.12 Otófonos
27
Figura 3.13 Símbolo general del amplificador operacional
28
Figura 3.14 Diagrama de un amplificador seguidor
29
iii Índice Figura 3.15 Diagrama de un amplificador inversor
29
Figura 3.16 Respuesta del filtro pasa alto
30
Figura 3.17 Respuesta del filtro pasa bajas
31
Figura 3.18 Respuesta del filtro pasa banda
31
Figura 3.19 Respuesta del filtro rechaza banda
32
Figura 3.20 Regiones de los filtros
32
Figura 3.21 Filtro pasa banda con retroalimentación múltiple
33
Figura 3.22 Convertidor A/D
34
Figura 3.23 Circuito integrado A/D de 8 bits ADC0804
35
Figura 3.24 Montaje de un circuito A/D ADC0804
35
Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema
39
Figura 4.2 Micrófono de electret
40
Figura 4.3 Circuito integrado LM324
40
Figura 4.4 Diagrama de un amplificador inversor
40
Figura 4.5 Configuración seguidor de voltaje
41
Figura 4.6 Configuración del filtro pasa banda con retroalimentación múltiple
41
Figura 4.7 Configuración del filtro pasa altas
42
Figura 4.8 Acondicionamiento de la señal
42
Figura 4.9 Configuración convertidor ADC0804
43
Figura 4.10 Pantalla del programa
44
Figura 4.11 Configuración del DAC
44
Figura 4.12 Control de ganancia
45
Figura 4.13 AUD-310
45
Figura 4.14 Diagrama del acondicionamiento de señal
46
Figura 5.1 Gráfica de los valores obtenidos en la preamplificación
48
Figura 5.2 Gráfica de los valores obtenidos en el seguidor de voltaje
49
Figura 5.3 Gráfica de los valores obtenidos en el filtro pasa banda
50
Figura 5.4 Gráfica de los valores obtenidos en el filtro pasa altas
52
iv Índice ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 5.1 Valores obtenidos en el preamplificador
47
Tabla 5.2 Valores obtenidos en el seguidor de voltaje
48
Tabla 5.3 Valores obtenidos en el filtro pasa banda
50
Tabla 5.4 Valores obtenidos en el filtro pasa altas
51
Tabla 6.1 Comparativos de precios de auxiliares auditivos
53
Tabla 6.2 Costos Prototipo
54
v “El que no considera lo que tiene como
la riqueza más grande, es desdichado,
aunque sea el dueño del mundo”
Epicuro
Objetivos Objetivos
Diseñar y construir un auxiliar auditivo con tecnología de punta con características
digitales para personas con deficiencia auditiva al menor costo posible.
Justificación
En México existe un gran número de personas con deficiencia auditiva con escasos
recursos económicos que no pueden obtener un auxiliar auditivo.
Debido a que éste tiene un costo elevado por no ser fabricado en el país y ser de
tecnología extranjera, se pensó en usar un auxiliar auditivo con tecnología que se encuentre en
el mercado nacional, con características digitales y, con calidad al menor costo posible con el
fin de ayudar a aquellas personas que no puedan tener un dispositivo de este tipo.
1 Introducción Introducción
Dentro de los bastos problemas en la audición humana, causados principalmente por la
contaminación por ruido en el medio ambiente y por problemas de salud. El problema más conocido
es la disminución de la audición conocida como hipoacusia, la cual se produce ante la exposición a
sonidos extremadamente fuertes durante breves instantes, por ejemplo 130dB durante un minuto, o
bien ante sonidos fuertes reiterados durante varios años, por ejemplo una exposición de carácter
laboral a 90dB a lo largo de 5 años. Así como también por el paso del tiempo, las personas mayores
pierden la capacidad de escuchar debido al deterioro del sistema auditivo, en alguna de sus partes.
Tomando en cuenta que aun con niveles moderados, como 75dB en forma permanente durante 40
años producen hipoacusia en las personas más susceptibles. Es por esto, que es importante destacar
que la hipoacusia provocada por ruidos de alto nivel puede llegar a ser irreversible, ya que afecta
principalmente a las células sensoriales del oído interno, las cuales no se reconstituyen.
La hipoacusia se clasifica principalmente en dos: primero, de acuerdo a su intensidad o grado
de pérdida auditiva y en segundo término, de acuerdo a la localización de la pérdida.
De acuerdo a la intensidad o grado de pérdida auditiva:
•
Leve (pérdida menor de 35dB).
•
Moderada (pérdida entre 35 y 60dB).
•
Profunda (pérdida entre 60 y 90dB).
•
Total o cofosis (pérdida superior a 90dB).
De acuerdo a la localización de la pérdida:
•
Conductivas: Alteración en la transmisión del sonido a través del oído externo y
medio.
•
Neurosensoriales: Se produce una lesión en el oído interno (huesecillos, cóclea,
otitis) o vía nerviosa auditiva.
•
Mixta: Obedecen a causas neurosensoriales.
Una solución a este problema son los auxiliares auditivos (comúnmente llamados aparatos para
sordera), que son instrumentos diseñados para proporcionar el sonido de una forma más efectiva al
oído, principalmente haciéndolo más fuerte. Existen muchos métodos para producir sonidos más
fuertes al oído, y la humanidad ha creado una multitud de aparatos y remedios en una gran lucha
contra la pérdida auditiva; la mayoría han sido desarrollados de tipo analógico, pero debido al avance
tecnológico que tenemos hoy en día nos vemos en la necesidad de mejorar la calidad y eficiencia de
estos dispositivos; es por esto que se desarrollará un auxiliar auditivo con características digitales.
Para llevarlo a cabo se buscará que los dispositivos empleados se encuentren en el mercado
nacional para reducir el costo en la construcción del auxiliar auditivo.
2 Antecedentes
Capítulo 1 Capitulo 1. Antecedentes
1.1 Historia
Uno de los primeros datos recavados desde la antigüedad, hace referencia a un cuerno seco y
hueco, que es el posible precursor de las cornetas, éstos pudieron haberse usado tanto para producir
sonidos como para oír.
Se habla también del uso de plantas tropicales como amplificadores del sonido puestas en
forma de embudo en las orejas (costumbre que aún hoy puede observarse en muchas tribus de la selva
amazónica cuando efectúan la caza de animales).
También se hace referencia a un instrumento llamado "Sarvatana" aparentemente utilizado
por los españoles. Esta sarvatana esta hecha de plata o bronce y "es como un embudo cuya parte
mayor se dirige hacia el que habla, mientras la parte menor se introduce en la oreja".
En el siglo XIX ya se fabricaban mangueras flexibles con una especie de embudo en un
extremo y un tipo de botón perforado que podía cubrir el oído en el otro extremo. A estos
instrumentos se los conocía como "tubos para hablar".
Otro método usado, fue un bastón llamado "fonífero" que funcionaba conduciendo
vibraciones desde la laringe de la persona que hablaba hacia la persona con dificultad auditiva. El
sistema fue diseñado por el profesor G. Paladino en 1876 en Nápoles, Italia.
Las prótesis acústicas tuvieron su auge en el siglo XIX cuando se manufacturaron de manera
más elegante y con mejor estética. Estas prótesis acústicas serían sustituidas de manera gradual en el
siglo XX por las prótesis electroacústicas.
Alrededor del año 1860 el alemán Johann Philip Reis construyó un transmisor más complejo
que incluía un diafragma puesto en un extremo de una corneta. Utilizaba la corriente de una pila
que, al variar de intensidad, controlaba una aguja magnetizada que cambiaba de longitud. Estos
cambios de longitud permitían la vibración de una superficie generando así el sonido. Pero el sistema
resultaba lento como para reproducir la voz humana.
No fue hasta el año 1876 que Alexander Graham Bell obtuvo una patente para el teléfono
usando un micrófono electromagnético que lograba cambios de corriente similares a los acústicos. Se
basaba entonces, en la variación de intensidad de la corriente eléctrica.
Luego T. Edison, E. Berliner y H. Hunnings inventarían otros tipos de transmisores para
finalmente llegar al año 1892 con la primera patente de un aparato auditivo eléctrico en Estados
Unidos.
Durante el siglo XX la evolución de los audífonos tuvo ciertas connotaciones bien definidas: la
miniaturización de todos sus elementos, el aumento en la ampliación del sonido y el bajo consumo de
energía.
3 Antecedentes
Capítulo 1 Las primeras audioprótesis portátiles que surgieron al final del siglo XIX tenían la forma y
tamaño de una caja de zapatos. Para 1902 se comenzó a comercializar el "Acousticón", un aparato
que podía introducirse debajo de la ropa o en el bolsillo pero seguía siendo grande ya que constaba de
tres partes: el transmisor, el amplificador y el lugar que alojaba la pila.
En el año 1912 apareció el primer control de volumen para las prótesis.
Para el año 1934 las compañías inglesas Amplivox y Multitone produjeron los primeros
aparatos comerciales que pesaban un poco más de un kilogramo y constaban del amplificador con
baterías y el receptor o audífono.
Para el año 1945 Beltone logró una importante disminución del tamaño de los audífonos con
su modelo Monopac, que incluía en un módulo las baterías y el amplificador. Además para 1947
aparecieron los llamados circuitos impresos que significaron una miniaturización en todos los circuitos
eléctricos eliminando las soldaduras y cableados que, hasta entonces, eran necesarios y requerían de un
mayor espacio físico donde alojarse.
Poco tiempo después, alrededor de 1948, surgió en los Laboratorios Bell una gran invención
para las prótesis auditivas: el transistor. Aunque en ese momento pasó casi inadvertido, este
dispositivo sería la base para los futuros audífonos analógicos y para los programables digitalmente.
En la década de los 50´s se utilizaron los transistores en conjunto con los antiguos bulbos
pero, desde entonces, el transistor tardó muy poco en abarcar todo el mercado.
De esta manera, apareció en 1953 el primer audífono de bolsillo que utilizaba solamente
transistores para amplificar el sonido.
Los últimos 50 años
El transistor, inauguró la era de la electrónica de estado sólido, que domina el mundo hasta
nuestros días. Fue en aquellos años donde se incorporó por primera vez un transistor a un audífono.
Un año después de la introducción del llamado transistor bipolar de juntura (BJT, 1953),
aparecieron los primeros audífonos completamente transistorizados, es decir, sin válvulas.
En 1954 se introdujo el primer audífono que se colocaba "al nivel de la cabeza del usuario".
No se trataba de un retroauricular, sino de lo que conocemos como audigafa, es decir, la introducción
del audífono en las patillas de un par de anteojos.
En un principio, este tipo de audioprótesis fue muy difundida pero con la reducción de
tamaño de los componentes fueron ganando terreno los retroauriculares, vigentes hasta la actualidad.
Téngase en cuenta que hasta ese momento sólo existían audífonos "de caja".
4 Antecedentes
Capítulo 1 Una de las características más importantes para la industria del audífono fue entonces la
creciente miniaturización de los componentes electrónicos.
Durante muchos años los amplificadores de los audífonos fueron construidos con transistores
discretos, es decir, componentes individuales que eran soldados a una plaqueta de cerámica.
Con la aparición de los circuitos integrados, pudo alojarse un amplificador completo en una
pequeña pastilla de silicio. En 1964 la compañía Zeníth, junto a Texas Instruments, presentó la primera
aplicación comercial de la historia para un circuito integrado: el amplificador de un audífono.
Con el transcurso de los años, se ha logrado aumentar la escala de integración en forma
asombrosa, posibilitando contar con circuitos cada vez más pequeños y, a la vez, incluir en ellos más
componentes logrando funciones más complejas.
Pronto comenzó también a tenerse un mayor conocimiento sobre la forma en que escucha un
oído normal y cómo se ve alterada esta funcionalidad al padecer una hipoacusia.
Entre 1985 y 1990 se desarrollaron los primeros audífonos que incorporaban tecnología
digital. Sin embargo, contra lo que muchos pregonaban en ese momento, éstos no eran audífonos
realmente digitales sino que sólo utilizaban esa tecnología para aumentar sus posibilidades de
calibración. Son los que conocemos como "audífonos analógicos programables digitalmente" o,
sencillamente, "programables".
En algunos casos podían almacenarse varias calibraciones. Estas calibraciones eran programas
diferentes que el usuario podía seleccionar según la situación sonora en la que se encontrara, ya sea
mediante un control remoto o por medio de una llave selectora.
Otro descubrimiento que tuvo lugar en los primeros años de la década de los 90´s fue el
comienzo de la utilización de la amplificación no lineal; esto es, audífonos cuya amplificación variaba
de acuerdo a las características de la señal entrante. Por ejemplo, se había descubierto que una persona
con pérdida auditiva neurosensorial no necesitaba una gran amplificación de los sonidos fuertes sino
que sólo requería que los sonidos débiles fueran amplificados. De esta manera, lo que el individuo
debía utilizar era un audífono que pudiera adaptarse a sus condiciones particulares.
La tecnología también posibilitó la aparición de audífonos con tres o más bandas de frecuencia
independientes, por lo cual, pudo tratarse en forma diferenciada a los sonidos graves, medios o agudos.
Éstos, contribuían claramente la percepción sonora y la comprensión del habla.
Asimismo, la continua miniaturización encarada en la década del 90 produjo los pequeños CIC
(Completely In the Canal) es decir, audífonos insertos completamente en el canal auditivo. También
aparecieron los primeros peritimpánicos; audífonos prácticamente invisibles y alojados en la
profundidad del conducto auditivo externo.
Las reparaciones de los audífonos también se optimizaron, dejándose de utilizar componentes
discretos, lo cual permitió que en la actualidad los cambios de componentes que fallan ya no sean
5 Antecedentes
Capítulo 1 reemplazos por elementos individuales sino que el cambio sea de los circuitos amplificadores
completos.
Finalmente, el más prometedor adelanto tecnológico es el audífono digital propiamente dicho.
Este tipo de tecnología se venía utilizando desde hace algunos años en distintas áreas de la industria. Si
bien en 1984 se desarrollaron algunos audífonos experimentales con procesamiento digital; no fue sino
hasta 1995 cuando tuvo lugar el lanzamiento de los primeros productos comerciales con características
de procesamiento digital.
La diferencia fundamental entre un audífono digital y uno de tipo analógico es que este nuevo
audífono posee en su interior una pequeña computadora capaz de realizar millones de operaciones
aritméticas por segundo. Todo el sonido que llega al audífono es convertido en series de números (en
formato binario-bits) que son analizados y, de ser necesario, modificados.
Sin dudas, este avance abre un horizonte de posibilidades completamente nuevo para la
corrección auditiva y, seguramente, vaya a proporcionar mayores y mejores soluciones a las personas
hipoacúsicas.
En los últimos años, grupos de investigación en todo el mundo se han abocado a mejorar aún
más las posibilidades de estos sistemas para dotar al usuario de un sonido más natural y mucho más
agradable [1].
1 .2 Evolución de los Auxiliares Auditivos
A continuación se muestra la evolución de los auxiliares auditivos en la historia hasta
llegar a los que actualmente tenemos en nuestros días.
Figura 1.1"Ear Trumpet" (Siglo XIX). Realizado en bronce. Fue usado hasta 1960 [1].
6 Antecedentes
Capítulo 1 Figura 1.2."Multi Acousticon". Modelo de mesa con caja cubierta de cuerina (1910 - 1928) [1].
Figura 1.3. "Acousticon 30". Modelo de caja con pastilla ósea (1933 - 1935) [1].
Figura 1.4. "Crystal Ear 38 AP". Modelo de mesa con amplificador de tres válvulas (1938) [1].
7 Antecedentes
Capítulo 1 Figura 1.5. "Acousticon a-55". Modelo de caja con amplificador de válvula (1942 – 1945) [1].
Figura 1.6. "Sonotone 79". Uno de los primeros retroauriculares del mundo (1955) [1].
Figura 1.7. "Telex 20". Retroauricular (1955) [1].
Figura 1.8. ”Oticon 550T". Modelo con control de volumen,
encendido y apagado desde su parte trasera
(1959) [1].
8 Antecedentes
Capítulo 1 Figura 1.9. "Audioprótesis actuales [1].
9 “Para obtener éxito en el mundo,
hay que parecer loco y ser sobrio”
Barón de Montesquieu
Introducción Teórica
Capítulo 2 Capitulo 2.Introducción Teórica
2.1 Fisiología y Anatomía del oído
2.1.1. Fisiología del oído
El oído humano puede percibir una extensa serie de frecuencias, aproximadamente de 16Hz
hasta 16,000Hz (valores manejados por médicos) pero entre los acústicos comúnmente manejan el
rango de 20 a 20KHz. Sin embargo, las variaciones individuales son enormes. Por regla general, la
percepción de las altas frecuencias es mejor en la infancia y disminuye cuando se llega a la vejez, de
manera que al adulto normal se le dificulta oír las frecuencias que pasan de 10KHz o 12KHz que son
parte de las altas frecuencias y posiblemente las más molestas.
La intensidad sonora se expresa en decibeles (dB), donde 0dB corresponde a una intensidad
apenas perceptible, 20dB indica un sonido 100 veces más intenso, mientras que un sonido de 60dB es
un millón de veces más intenso. A una distancia entre 1 y 2 metros, un susurro produce 20dB y una
conversación normal produce aproximadamente 60dB. A 10m de distancia un martillo neumático
produce un sonido de 100dB, es decir 10, 000 millones de veces más intenso que el escasamente
audible. Esta es la enorme serie de intensidades que podemos percibir.
2.1.2. Anatomía del oído
La audición es muy importante para nuestra vida cotidiana. Mediante el sonido nos podemos
comunicar, escuchar música, disfrutar de los sonidos de la naturaleza, etc.
El oído humano es un órgano muy sensible y avanzado y está formado por tres partes
diferenciadas:
1.
Oído externo: formado por el pabellón auricular y el conducto auditivo externo, en
cuyo extremo final se encuentra el tímpano. Su función es recoger el sonido y llevarlo a través
del conducto auditivo hasta el tímpano.
2.
Oído medio: espacio lleno de aire cuya presión se ajusta mediante la trompa de
Eustaquio, la cual comunica el oído medio con la garganta. Aquí se encuentra la cadena de
huesecillos formada por el martillo, el yunque y el estribo los cuales transmiten los
movimientos del tímpano hasta el oído interno. En el oído medio se encuentran también dos
músculos (músculo tensor del tímpano y músculo estapediano) los cuales actúan cuando hay
un ruido muy fuerte para reducir la presión sonora que llega al oído interno.
3.
Oído interno: estructura llena de líquido con forma de caracol (cóclea) y que se
conexiona con el oído medio a través de la ventana oval. Aquí se encuentra el órgano del
equilibrio el cual está formado por dos canales semicirculares llenos de líquido. Cuando el
movimiento de la platina del estribo mueve el líquido que hay en el oído interno activa las
10 Introducción Teórica
Capítulo 2 cerca de 20.000 células ciliadas o sensoriales, las cuales envían impulsos eléctricos a través del
nervio hasta el cerebro que los recibe como sonido [2].
Martillo
Órgano de
Equilibrio
Yunque
Nervio
Auditivo
Tímpano
Conducto
Auditivo
Estribo
Caracol
1. Oído Externo
2 Oído Medio
3 Oído Interno
Figura 2.1. Órganos del oído humano [2].
Un pequeño trastorno en éste sistema tan complejo puede provocar el empeoramiento de la
audición.
2.2. Audición
La audición son los procesos psico-fisiológicos proporcionan al ser humano la capacidad de
oír.
Más allá de las ondas sonoras (física del sonido), el proceso de la audición humana implica
procesos fisiológicos, derivados de la estimulación de los órganos de la audición, y procesos
psicológicos, derivados del acto consciente de escuchar un sonido.
Proceso de Audición
El oído consta de tres partes principales:
•
•
•
El oído externo
El oído medio
El oído interno
11 Introducción Teórica
Capítulo 2 Figura 2.2. Partes del oído [3].
El oído externo
Los sonidos del mundo exterior son recogidos por el oído externo, el cual está formado por el
pabellón auricular (la oreja) y el conducto auditivo externo. Cuando las ondas sonoras penetran en el
oído, el conducto auditivo externo incrementa la sonoridad de los tonos que nos ayudan a comprender
el habla (figura 2.2). Al mismo tiempo el conducto auditivo externo (1) protege otra parte importante
del oído: el tímpano (2) una membrana flexible, circular que vibra cuando es alcanzada por las ondas
sonoras.
El oído medio
Las vibraciones del sonido continúan su viaje hacia el oído medio, que contiene tres pequeños
huesos llamados yunque, martillo y estribo (3, 4, 5). Estos hacen de puente entre el tímpano y el oído
interno.
Incrementan y amplifican las vibraciones del sonido aún más, antes de transmitirlas sin peligro
hacia el oído interno vía la ventana oval.
El oído interno
El oído interno o cóclea, similar a la concha circular de un caracol, alberga un sistema de tubos
que están rellenos de un fluido acuoso. Cuando las ondas sonoras pasan a través de la ventana oval (6),
el fluido empieza a moverse, haciendo que unos pequeños cilios se muevan a su vez. Posteriormente,
estos cilios transforman las vibraciones en impulsos eléctricos que viajan por el nervio auditivo (9)
hasta el mismo cerebro. Aún se desconoce cómo traduce el cerebro estos impulsos nerviosos [3].
2.3. Hipoacusia
Es la reducción de la capacidad del mecanismo auditivo para oír los sonidos, de tal manera que
se necesita mayor intensidad de la normal para percibirlos. También es conocida como pérdida auditiva
o sordera. Los sonidos que se pierden cuando una persona tiene hipoacusia dependen de las
frecuencias afectadas y el grado de pérdida auditiva. Por ejemplo si existe una disminución de la
audición en las frecuencias agudas, no se escucharán los sonidos de estas frecuencias, como el timbre
del teléfono y el sonido del habla, a menos que sean a una intensidad suficientemente fuerte para
superar el déficit auditivo de la persona que escucha [4].
12 Introducción Teórica
Capítulo 2 Características clínicas
Para comprobar el grado de sordera de una persona, se le hace una prueba de audiometría, de
manera que una persona con sordera puede tener problemas en la percepción correcta de la intensidad
(decibeles) o de la frecuencia (hertzios) de sonidos relacionados con el lenguaje oral, y es frecuente que
se den resultados diferentes para cada oído.
Tipos
Podemos considerar diversos criterios a la hora de clasificar las diferentes tipologías de pérdida
auditiva.
- Según la localización de la lesión.
- Según el grado de pérdida auditiva.
- Según las causas.
- Según la edad del comienzo de la sordera.
Según donde se localiza la lesión
Pérdida auditiva conductiva o de transmisión
Esta pérdida es causada por enfermedades u obstrucciones en el oído exterior o medio(las vías
de conducción a través de las cuales el sonido llega al oído interior), la pérdida auditiva conductiva
normalmente afecta a todas las frecuencias del oído de manera uniforme, aunque no resulten pérdidas
severas. Una persona con una pérdida de la capacidad auditiva conductiva bien puede usar audífonos o
puede recibir ayuda por médicos o intervenciones quirúrgicas.
Pérdida auditiva sensorial, neurosensorial o de percepción
Son en los casos en los que las células capilares del oído interno, o los nervios que lo
abastecen, se encuentran dañados. Esta pérdida auditiva puede abarcar desde pérdidas leves a
profundas. A menudo afectan a la habilidad de la persona para escuchar ciertas frecuencias más que
otras, de manera que escucha de forma distorsionada el sonido, aunque utilice un audífono
amplificador. No obstante, en la actualidad, las grandes prestaciones tecnológicas de los audífonos
digitales son capaces de amplificar solamente las frecuencias deficientes, distorsionando inversamente
la onda para que la persona sorda perciba el sonido de la forma más parecida posible como sucedería
con una persona oyente.
Pérdida auditiva mixta
Se refiere a aquellos casos en los que existen aspectos de pérdidas conductivas y sensoriales, de
manera que existen problemas tanto en el oído externo o medio y el interno. Este tipo de pérdida
también se puede deber a daños en el núcleo del sistema nervioso central, ya sea en las vías al cerebro o
en el mismo cerebro. Es importante tener cuidado con todo tipo de golpes fuertes en la zona auditiva,
ya que son los principales causantes de este tipo de sordera.
Pérdida auditiva central
Autores como Valmaseda y Díaz-Estébanez (1999) hablan de esta cuarta tipología, que hace
referencia sólo y exclusivamente a lesiones en los centros auditivos del cerebro.
13 Introducción Teórica
Capítulo 2 Según el grado de pérdida auditiva:
Audición normal. Existiría audición por debajo de los 20
Deficiencia auditiva leve. Umbral entre 20 y 40 dB
Deficiencia auditiva media. Umbral auditivo entre 40 y 70 dB
Deficiencia auditiva severa. Umbral entre 70 y 90 dB
Pérdida profunda. Umbral superior a 90 dB
Pérdida total y cofósis
Umbral por encima de 120dB o imposibilidad auditiva total. Son los realmente llamados
"sordos", mientras que a las personas incluidas en los grupos anteriores se les denomina
"hipoacúsicos".
Según la causa de pérdida auditiva:
La etiología de la discapacidad auditiva puede ser por causas exógenas como la rubéola
materna durante el embarazo, incompatibilidad del factor Rh. y que suelen provocar otros problemas
asociados (dificultades visuales, motoras, cognitivas).O bien puede ser una sordera hereditaria, la cual,
al ser recesiva, no suele conllevar trastornos asociados.
Según la edad de comienzo de la pérdida auditiva:
El momento en el que aparece la discapacidad auditiva es determinante para el desarrollo del
lenguaje del individuo, por lo que se pueden distinguir dos grupos:
- Prelocutivos: si la discapacidad sobrevino antes de adquirir el lenguaje oral (antes de 2 años).
- Perilocutivos: si la discapacidad sobrevino mientras se adquiría el lenguaje oral (2-3 años).
- Poslocutivos: si la discapacidad sobrevino después de adquirir el lenguaje oral (después de 3
años).
Gascón Ricao, A. y J.G. Storch de Gracia y Asensio (2004) Historia de la educación de los sordos en
España y su influencia en Europa y América. Madrid : Editorial universitaria Ramón Areces, Colección "Por
más señas" [5].
2.4. Auxiliar Auditivo
Los auxiliares auditivos, o comúnmente llamados aparatos para sordera, son instrumentos
diseñados para proporcionar el sonido de una forma más efectiva al oído, principalmente haciéndolo
más fuerte. Existen muchos métodos para producir sonido más fuerte al oído, y la humanidad ha
creado una multitud de aparatos y remedios en una gran lucha contra la pérdida auditiva.
El desarrollo de aparatos auditivos tiene siglos de intentos e invenciones, desde los grandes
cuernos de resonancia que parecidos a una trompeta musical se colocaban con el extremo pequeño en
el oído, este tipo de instrumentos simplemente concentraba el sonido y lo dirigía al canal auditivo
14 Introducción Teórica
Capítulo 2 externo. El auxiliar auditivo contemporáneo incorpora el uso de tecnología electrónica sofisticada que
básicamente amplifica electrónicamente la señal de sonido obtenida en un micrófono, la ecualiza a la
pérdida auditiva del usuario, y la reproduce con transductores de sonido llamados receptores.
Hoy en día el desarrollo de la tecnología ha permitido la integración de amplificadores de
sonido tan pequeños como un grano de arroz que sin duda ofrecen importantes beneficios en la
percepción auditiva y en la calidad de vida de quien padece un problema auditivo. Al mismo tiempo su
tamaño pequeño los hace discretos y estéticos. La llegada de la tecnología digital a los aparatos
auditivos también ha permitido importantes ventajas en cuanto a su funcionamiento pues permite que
el comportamiento del amplificador sea dinámico ajustándose automáticamente a los niveles de sonido
que el usuario requiere, también permite que se realice una adaptación muy precisa a la pérdida del
paciente con el uso de una computadora, y finalmente ofrecen una calidad de sonido de alta fidelidad,
claro y prácticamente natural.
2.4.1Funcionamiento
Partes de un auxiliar
Todos los auxiliares, independientemente de su forma contienen los mismos elementos
Figura 2.4. Partes de un auxiliar auditivo [6].
Dispositivo de encendido
Compartimiento para la pila
Control de volumen
Micrófono
Codo
Manguera o tubería
Molde
15 Introducción Teórica
Capítulo 2 Dispositivo de encendido
El dispositivo de encendido cumple la función de prender y apagar el auxiliar. En algunos
modelos el dispositivo de encendido tiene una posición intermedia “T” para usar el auxiliar cuando se
habla por teléfono, en aquellos teléfonos que lo permitan. Es muy importante que al retirar el auxiliar
en la noche, aparte de poner el dispositivo de encendido en la posición de apagado, se abra el
compartimiento de la pila.
Compartimiento para la pila.
El compartimiento para la pila tiene muy variadas formas dependiendo del modelo del auxiliar
de que se trate. Cada auxiliar usa un modelo específico de pila. El compartimiento de la pila indica la
polaridad en la que se debe colocar la pila y se debe de hacer coincidir el signo + del compartimiento
con el signo + de la pila. En caso de que por cualquier razón se deje de usar el auxiliar auditivo por un
tiempo prolongado, se debe retirar la pila para evitar que se llegue a derramar dentro del auxiliar y
dañarlo.
Control de volumen
El control de volumen permite, como su nombre lo indica, ajustar el volumen del auxiliar. El
especialista que adapte el auxiliar, deberá de indicar el volumen al cual deberá de usarse el auxiliar. Si el
auxiliar no se usa en el volumen necesario, la persona no recibirá todos los beneficios del auxiliar.
Micrófono
El micrófono situado en la parte superior del auxiliar es el dispositivo que capta el sonido y lo
envía al circuito electrónico del auxiliar. El auxiliar amplifica el sonido que recibe, es decir lo hace más
fuerte y lo envía al oído a través del codo del auxiliar. Dado que las pérdidas auditivas varían de
frecuencia a frecuencia, el auxiliar auditivo trata de amplificar lo necesario en cada frecuencia para
hacer que los sonidos “embonen” y se “ajusten” al perfil auditivo que necesite una persona. Entre más
sofisticado sea el auxiliar más opciones de ajuste le ofrece a quien lo adapta para satisfacer las
necesidades de cada persona. Normalmente en la parte interna del auxiliar, se encuentran los controles
que permiten estos ajustes.
Codo y manguera o tubería
Después de que el sonido es amplificado de acuerdo a las necesidades de cada persona, el
auxiliar envía el sonido a través del codo el cual esta unido por una manguera de plástico a un molde.
Dentro del codo, en algunas ocasiones, es necesario colocar filtros que permiten afinar aún más el
perfil del sonido que el auxiliar envía al oído de la persona. Los filtros son unas pequeñas “esponjitas”
de diferentes tamaños y densidades que cumplen esta función.
La manguera que une al codo con el molde debe de tener ciertas características de acuerdo a la
potencia del auxiliar. Para pérdidas auditivas profundas, las paredes de la manguera deben de ser
gruesas para que el auxiliar no “pite”. Si vemos con un microscopio una manguera, vamos a ver que
sus paredes son porosas, es decir tiene pequeños hoyitos; si la manguera es delgada tiene más poros y
por esos poros se escapa el sonido. Cuando el auxiliar es de baja potencia, no importa el grueso de la
pared de la manguera; cuando el auxiliar es de mucha potencia para pérdidas que necesitan mucha
“amplificación” es muy importante que la pared o el grosor de la manguera sea la adecuada. El codo
tiene, adicionalmente, la función de sostener el auxiliar alrededor de la oreja uniendo la manguera que
va del codo del auxiliar al molde [6].
16 Introducción Teórica
Capítulo 2 Radiografía de un auxiliar auditivo
(Función de encendido)
(batería: suministra energía al amplificador)
(micrófono: convierte la energía acústica en energía eléctrica)
( carrete :convierte la energía magnética en energía eléctrica)
(Circuito amplificador: incrementa la intensidad de la señal eléctrica. También filtra y
modifica la respuesta del auxiliar auditivo para coincidir con la pérdida auditiva del usuario)
(Control de volumen: permite al usuario incrementar o disminuir el nivel del sonido
después de la amplificación. Muchos auxiliares auditivos recientes tienen un control de ganancia
automática)
(Receptor: convierte la energía eléctrica en energía acústica)
(Tubo tonal: entrega el sonido del receptor. Posiblemente el filtrado adicional ajusta la
señal para reducir la pérdida auditiva) [7]
Los moldes
17 Introducción Teórica
Capítulo 2 Aunque el molde no es propiamente parte del auxiliar auditivo, es una pieza CLAVE dentro de
todo el proceso de amplificación que puede hacer la diferencia entre que una persona oiga o que no
oiga. Un buen molde permite que un auxiliar entregue en forma óptima el sonido que amplifica; un mal
molde hará que todos los beneficios del auxiliar se pierdan.
En otras palabras, el molde representa el 50% del proceso de amplificación; el otro 50% lo da
el auxiliar. Se puede comprar el auxiliar más caro del mundo; si el molde no es el adecuado no
entregará todos los beneficios que funcionalmente puede dar.
Lo importante es estar conscientes de que cada decibel adicional que podamos entregarle a una
persona con audición limitada vale oro, porque es la diferencia entre oír y no oír, entre hablar y no
hablar; así de drástico. Las características principales que debe tener un buen molde son las siguientes:
Que selle bien.
Que sea de la profundidad adecuada.
Que el material sea el adecuado.
Que la “geometría” o la “forma” del molde permita la mejor amplificación en todas las
frecuencias.
Si el aparato es potente, la manguera debe de ser de paredes gruesas; en caso de duda optar por
tubería con paredes gruesas.
Que el orificio de salida del molde tenga el diámetro correcto.
No es lo mismo un molde con un orificio de 1mm que un molde con orificio de 4mm, por la
misma razón que una flauta en orquesta es delgada y una tuba no es delgada.
Este es un ejemplo de un molde con tubería Liby que ayuda en la ganancia de sonido en las
frecuencias altas.
Figura 2.5. Moldes [6].
No es lo mismo un molde ventilado que un molde sin ventilación.
El material de los moldes puede ser suave o duro, dependiendo de cada persona. Los moldes
instantáneos por lo general no son recomendables.
18 Introducción Teórica
Capítulo 2 No podemos enfatizar suficientemente la necesidad de invertir tiempo, dinero, mucha paciencia y
esfuerzo en tener el mejor molde posible de acuerdo a las necesidades de cada persona.
En los niños pequeños los moldes deben de cambiarse periódicamente en virtud de que el
conducto auditivo del niño está creciendo.
En México no sabemos de algún laboratorio que fabrique una variedad como la que se
muestra. La mayoría fabrica un solo tipo de molde.
Ejemplos de moldes
El molde más recomendable es el que se llama SHELL, especialmente en pérdidas severas a
profundas
Ejemplos de diámetro en el extremo del molde y respuesta del auxiliar
Figura 2.6. Tipos de moldes [6].
No es lo mismo un molde profundo que un molde con poca profundidad.
En especial, este codo que evita que la manguera del molde se doble a la entrada del molde [6].
19 Introducción Teórica
Capítulo 2 2.4.2 Tipos
El estilo y tamaño de Auxiliar Auditivo:
Hay cinco estilos que son los más populares en la actualidad:
CIC
MC CANAL
ITE
BTE
Figura 2.7.Tipos de auxiliares auditivos [8].
CIC. El tamano Peritympanico (Completely in the Canal)
MC. Mini-canal, Dentro del Canal usando batería 10A.
CANAL. Dentro del Canal con batería 312A (Canal or ITC),
ITE. De Concha (In The Ear, or ITE)
BTE. El de Curveta (Behind the Ear, or BTE) [8].
a) Retroauricular o de curveta. Se coloca detrás de la oreja y puede atender y compensar
parcialmente hasta una pérdida auditiva profunda.
b) Intraauricular o concha. Cubre la concha del oído y se utiliza para atender pérdidas auditivas
leves hasta severas.
c) Intracanal. Se colocan dentro del canal auditivo, suelen ser los más pequeños y menos
visibles. Generalmente son usados para atender sordera leve a severa.
Figura 2.8. Lugar en que se ubican los diferentes tipos de auxiliares auditivos [8].
20 “Todo lo que una persona puede imaginar,
otros pueden hacerlo realidad”
Julio Verne
Elementos de Diseño
Capítulo 3 Capitulo 3. Elementos de Diseño
3.1 Transductores
Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de un tipo de energía en otra. La
base es sencilla, se puede obtener la misma información de cualquier secuencia similar de oscilaciones,
ya sean ondas sonoras, vibraciones mecánicas de un sólido, corrientes y voltajes alternos en circuitos
eléctricos, vibraciones de ondas electromagnéticas radiadas en el espacio en forma de ondas de radio o
las marcas permanentes grabadas en un disco o una cinta magnética.
3.1.1 Tipos de M i c r ó f o n o s
Los micrófonos son transductores electroacústicos, que convierten las oscilaciones acústicas
en oscilaciones eléctricas para, por lo general ser amplificadas [9,10].Existen diferentes tipos de
transductores electroacústicos que se basan en leyes y propiedades físicas diferentes. A continuación se
describirán los más importantes.
Micrófono Piezoeléctrico
Este tipo de dispositivos no necesitan polarización eléctrica ya que la carga eléctrica en ellos
surge durante el proceso de deformación [9]. Cuando un material piezoeléctrico se combina, aparece
una cierta cantidad de carga positiva en uno de sus lados, y la misma cantidad de carga negativa en el
lado opuesto. Esta polarización puede ser recogida por un circuito eléctrico (micrófono). A la inversa,
cuando el material piezoeléctrico es polarizado por un circuito externo, se deforma (altavoz) [11]. Los
inconvenientes de este micrófono son: su alta impedancia de entrada, la complejidad del sistema
mecánico, su pequeña sensibilidad y la elevada irregularidad de su curva de respuesta de frecuencias. Su
uso está muy limitado [10].
Figura 3.1. diagrama de un micrófono piezoeléctrico [12].
Micrófono Dinámico (de bobina móvil)
Son micrófonos cuyo principio de funcionamiento es el transductor dinámico: un conductor
eléctrico, en este caso una bobina unida a la membrana o una cinta plana, se desplaza bajo el efecto de
las ondas sonoras en el interior de un campo magnético que crea un imán permanente [9].
21 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.2. Cápsula de un micrófono dinámico o de bobina móvil [9].
Micrófono Magnético
Es similar al dinámico; existe una pieza de material magnético (armadura) que se mueve
mientras que la espira o arrollamiento permanece en reposo [11].
Figura 3.3. Diagrama de un micrófono magnético [12].
Micrófono de carbón
En la figura 3.4 puede apreciarse un micrófono de carbón típico cuya cápsula está compuesta
por gránulos de carbón finamente divididos. Como la resistencia eléctrica del carbón depende de lo
cerca que estén entre sí los gránulos; cuando se produce una vibración en el diafragma, el pistón aplasta
estos gránulos modificando su resistencia y en consecuencia, aparece una intensidad que varía
conforme a la onda sonora. Estos micrófonos son muy ruidosos y no poseen una buena fidelidad,
tienen una respuesta en frecuencia muy pobre, su sensibilidad es muy elevada, son omnidireccionales y
poseen una impedancia interna baja [9].
Figura 3.4. Cápsula de un micrófono de carbón [9].
22 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Electrostático o de condensador
El micrófono de condensador consta de un condensador formado por un electrodo macizo 3
y una membrana fina tensada 1. Al condensador se aplica una un voltaje de polarización U0 a través de
una resistencia de valor elevado RH. Cabe mencionar que la fuente de voltaje de polarización no gasta
energía, ya que no existe componente continua de corriente [10].
Al vibrar la membrana, varía la capacidad C0 del condensador y como su carga q es constante
variará la tensión en él. Esta variación de tensión sirve de fuerza electromotriz originada por el sonido
al incidir éste sobre la membrana. Debido a la caída de tensión en la capacidad del condensador, la
tensión en la resistencia de carga Rc será un poco menor que esta fuerza electromotriz. Las
características mecánicas, acústicas y la construcción de los micrófonos de electret y de condensador
no se diferencian en nada [10].
Características importantes de este tipo de micrófonos son: respuesta extremadamente plana,
de 20Hz a 20KHz, sensibilidad alta, son omnidireccionales y direccionales, el ruido que muestran a la
salida es bajo, la impedancia interna es muy elevada [9].
Figura 3.5. Micrófono de condensador. a) Principio de funcionamiento; b) esquema eléctrico del
micrófono: 1-membrana; 2-junta aislante; 3-electrodo fijo; 4-espacio entre los electrodos[10].
Micrófono de condensador electret
El micrófono de electret se diferencia del de condensador en que el voltaje de polarización se
forma mediante la electrización previa de uno de los dos electrodos. El término electret se refiere a
materiales que muestran una polarización permanente después de ser sometidos a un campo eléctrico
intenso, por ejemplo, el teflón. Con el material electret, es posible diseñar transductores electrostáticos
autopolarizados o prepolarizados que evitan la fuente externa de tensión. El recubrimiento metálico del
electrodo, de hecho forma los propios electrodos del condensador mientras que el material de electret
sirve sólo como fuente de voltaje de polarización. Al operar con resistencias de entrada tan elevadas se
produce un nivel relativamente alto de ruidos de fondo del micrófono. Esta es una desventajas de los
micrófonos de de condensador y electret, pero dado que los ruidos se originan principalmente en las
bajas frecuencias y que las señales vocales y musicales en estas frecuencias presentan niveles
considerables pero este defecto queda suficientemente amortiguado [9,10].
23 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.6. Cápsula de un micrófono electrostático de tipo electret [9].
La figura 3.6 muestra una configuración típica del micrófono de condensador, en la que el
electrodo fijo está constituido por una placa perforada y el electrodo móvil es una lámina de electret. El
campo eléctrico creado por el polímero es análogo al originado por la fuente en un micrófono de
condensador [9].
3.1.2 Tipos de Altoparlantes
El altavoz, también conocido como parlante, altoparlante, es un dispositivo utilizado para la
reproducción de sonido.
En general, un altavoz es un transductor electroacústico que convierte señales eléctricas en
señales acústicas. Es el último eslabón de la cadena y se diseña para radiar energía audible en un medio
fluido como es el aire [9].
Tipos de Altavoces
Altavoz dinámico de bobina móvil
Este es el transductor más generalizado y popular. La superficie móvil que radia sonido y está
unida a la bobina es el diafragma también llamado cono por su forma cónica. Algunos altavoces tienen
diafragmas planos, sin embargo, se prefiere la forma cónica porque posee mayor rigidez. La parte
central tiene una tapa que protege al entrehierro de polvo y otras partículas que con el tiempo podrán
provocar fricción. El diafragma está suspendido con un sistema centrador constituido por un anillo
elástico periférico que sujeta la carcasa y otro inferior, también llamado araña que sujeta la parte
central. La función de ambos es absorber las ondulaciones del diafragma, evitando todo movimiento
que no sea axial.
La señal eléctrica se aplica a la bobina móvil del altavoz, que está constituida por varias espiras
de hilo devanadas sobre un cilindro rígido que va unido al diafragma. Los altavoces actuales están
constituidos por imanes permanentes de forma anular. El campo magnético se cierra a través de la
pieza polar, el núcleo cilíndrico concéntrico con el imán y la culata. Entre el núcleo central y el imán
queda un pequeño espacio denominado entrehierro, donde se inserta la bobina. En general, cuanto
más potente sea el imán mayor será el rendimiento del altavoz [9].
24 Elementos de Diseño
Capítulo 3 En la figura 3.7 se muestra los elementos más importantes que constituyen el altavoz dinámico
de bobina móvil.
Figura 3.7. Sección de un altavoz dinámico de bobina móvil típico, 1: bobina móvil, 2: imán, 3:
yugo o culata, 4: entrehierro, 5: pieza polar, 6: diafragma, 7: araña, 8: carcasa, 9: tapa de retención de
polvo, 10: anillo elástico. [9]
Altavoces planos
En general, este tipo de altavoces evitan el uso de cajas para producir un sonido más preciso,
sustituyendo los pequeños transductores por grandes superficies vibrantes. Los transductores de gran
superficie y poca masa se caracterizan por un movimiento uniforme en toda el área cuando son
excitados, esto es debido a que la superficie posee una carga de aire resistiva que tiende a suprimir
cualquier resonancia.
Altavoces electrostáticos
También denominado ESL (Electrostática Loudspeaker), se basa en la vibración de una placa
conductora sometida aun campo eléctrico. En esencia se trata de un condensador plano de grandes
dimensiones con una armadura a ala que se le aplica una diferencia de potencial proporcional a la señal
que se quiere reproducir (ver figura 3.8).
Figura 3.8. Sección de un altavoz electrostático típico, a) Sencillo, b) Simétrico [9].
El principio de funcionamiento se muestra en la figura 3.9. Dos placas fijas situadas
equidistantes del diafragma ejercen una fuerza igual y en sentido opuesto sobre el mismo, las cuales
causan que esté centrado. El movimiento del diafragma se consigue variando la carga electrostática
entre las placas y el diafragma: si una placa posee potencial positivo respecto al diafragma y la otra
placa, potencial negativo, el diafragma se moverá hacia la placa con potencial positivo. Cuando la
polaridad de la fuente de señal alterna cambia, lo harán también las fuerza de atracción y el diafragma
se moverá hacia la otra placa [9].
25 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.9. Esquema eléctrico de una configuración simétrica, a) Reposo, b) Semiciclo positivo, c)
Semiciclo negativo [9].
Altavoces de cinta
Están constituidos por una cinta corrugada móvil sujeta por sus extremos, por la que circula la
corriente de señal de audio, que está situada dentro de un gran campo magnético permanente. El
funcionamiento de este altavoz es el siguiente: la fuerza se crea sobre toda la superficie de radiación de
un diafragma ligero, lo cual se traduce en gran linealidad; la fuerza se produce en dirección transversal
al campo magnético aplicado. Esto quiere decir que el diafragma está dentro del plano de las líneas y
como es muy fino, sólo una pequeña parte del campo pasa a través de él.
Figura 3.10. Elemento transductor de cinta [9].
Altavoces piezoeléctricos
Su funcionamiento se asa en el efecto piezoeléctrico. Al aplicar a una lámina de cristal
piezoeléctrico una tensión se producen deformaciones mecánicas de la lámina. Si la tensión es variable,
la deformación también lo será.
Auriculares
Los auriculares se destinan para funcionar directamente en el volumen del canal auditivo, por
lo que sus parámetros técnicos difieren en cierto modo de los parámetros de los altavoces. Además los
auriculares al igual que los altavoces, se caracterizan por los siguientes parámetros técnicos: impedancia
de entrada, distorsiones armónicas y rendimiento o sensibilidad en función de la frecuencia. De
acuerdo a su principio de funcionamiento, los auriculares se clasifican en electromagnéticos,
electrodinámicos y electrostáticos.
26 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Los auriculares electromagnéticos son los más conocidos. Se utilizan en las comunicaciones
telefónicas alámbricas y por radio, en los sistemas particulares de sonorización, por ejemplo, en la
traducción sincronizada de discursos, en la recepción en salas con alto nivel de ruidos, en los
audífonos, en los aparatos para sordos, etc.
Figura 3.11. a) Vista de auriculares con el resorte del casco 3,los tampones 1 y la cápula 2;
b)Estructura del auricular: 1-imán; 2-expansiones polares; 3-bobinas; 4-diafragma; 5-volumen bajo el
diafragma; 6-orificio en la junta; 7-junta; 8-entrehierros [10].
Los auriculares electromagnéticos se dividen en dos: de exterior o de casco y de casquillo u
otófonos. Los primeros se aplican en la aurícula de la oreja; los segundos se introducen el ella o en el
canal auditivo.
Figura 3.12. otófonos: a)vista general de dos tipos de otófonos; b) estructura de la cápsula del
otófono; c)características de rendimientode los otófonos [10].
La estructura de los auriculares electrodinámicos no se distingue en nada de la de los micrófonos
dinámicos, sólo su sistema magnético es menor. Su presentación exterior es parecida a la de los
27 Elementos de Diseño
Capítulo 3 auriculares electromagnéticos, pero son un poco más altos. Estos auriculares se utilizan para fines de
medición y para el control auditivo de las transmisiones de difusión. Los auriculares electrodinámicos
son convertidores reversibles y por lo tanto, pueden también emplearse como micrófonos.
La estructura de los auriculares piezoeléctricos es análoga a la de los altavoces piezoeléctricos. En la
actualidad prácticamente no se utilizan.
3.2 Amplificadores Operacionales
Los amplificadores operacionales tienen dos terminales de entrada, donde una entrada genera
una señal de salida invertida y, la otra, produce una señal de salida no invertida. A menudo, el
amplificador operacional se alimenta con una fuente de doble (es decir, dos tensiones de alimentación,
una positiva y otra negativa).
Como se puede ver en la figura 3.13, un amplificador operacional típico tiene al menos cinco
conexiones diferentes: una entrada inversora (etiquetada con un signo menos “-”), una entrada no
inversora (etiquetada con un signo más, “+”), una salida de señal y dos entradas para las alimentaciones
positiva y negativa. Este símbolo y sus conexiones asociadas son las típicas, pero eso no quiere decir
que dicho símbolo sea el único utilizado. También se dispone una amplia variedad de dispositivos para
el diseñador, que ofrecen características tales como: salidas diferenciales o funcionamiento con una
fuente de alimentación unipolar. En cualquier caso, se utilizará algún tipo de triángulo como símbolo
esquemático.
Figura 3.13. Símbolo general del amplificador operacional [11].
Los amplificadores operacionales son para aplicaciones de propósito general, es mucho más
rápido y económico diseñar usando amplificadores operacionales que componentes discretos. Además,
las restricciones en cuanto a encapsulados y los problemas de reparación pueden ser menores. Para
aquellas aplicaciones que deban ofrecer mayores prestaciones, como las que precisen un ruido muy
bajo, alta tensión y/o corriente de salida o un ancho de banda grande, los fabricantes han creado
amplificadores operacionales especializados. [11]
Existen muchas configuraciones para los amplificadores operacionales de las cuales sólo se
explicará brevemente las que se utilizaron en este trabajo.
28 Elementos de Diseño
Capítulo 3 3.2.1 Arreglos tipo
Seguidor de voltaje
A esta configuración también se le denomina como amplificador de ganancia unitaria donde el
voltaje de entrada Vi se aplica directamente a la entrada Vp (entrada positiva). En este circuito el
voltaje que existe entre las terminales (+) y (-) es de 0 y por lo tanto,
V0= Vi
Puede apreciarse que el voltaje de salida iguala al voltaje de entrada tanto en magnitud como
en signo. Por lo tanto, como el nombre de este circuito lo indica, el voltaje de salida sigue al voltaje de
entrada o de la fuente. La ganancia del voltaje es 1 como se muestra en la figura 3.14. [14]
Figura 3.14. Diagrama de un amplificador seguidor [13].
Amplificador inversor
El modelo básico del amplificador inversor se muestra en la figura 3.15. Para conseguir que sea
un amplificador de medida de tensión, se añade una resistencia de entrada Ri. Veamos cómo funciona
el circuito: Verror es prácticamente cero, por lo que el potencial en la entrada inversora debe ser igual al
potencial en la entrada no inversora. Esto significa que la entrada inversora está conectada a tierra
(masa virtual) ya que la señal en ella es tan pequeña que es prácticamente despreciable. Debido a esto,
también podemos decir que la impedancia vista mirando en este punto es 0. [11]
R6
18kΩ
R5
11
2
U1A
3
2
1kΩ
1
0
3
4
LM324AD
Figura 3.15. Diagrama de un amplificador inversor.
(Obtenido del simulador multisim)
29 Elementos de Diseño
Capítulo 3 3.3 Filtros
Un filtro es un circuito que impide la transferencia de un margen específico de frecuencias, es
decir, un filtro es un circuito que sólo permite que pasen a través de él, determinadas frecuencias. Los
filtros se emplean para eliminar componentes de frecuencia no deseables en señales de entrada
complejas. Los usos de estos circuitos son muchos, entre los que se incluyen la supresión del zumbido
de las líneas de alimentación, la reducción del ruido, las interferencias de alta y baja frecuencia. Un uso
muy común de los filtros es la limitación del ancho de banda que, como se verá en este trabajo forma
parte fundamental de cualquier sistema de conversión analógico-digital.
Existen numerosas variantes en cuanto al diseño e implementación de los filtros. Las
implementaciones de filtros se pueden clasificar en dos grandes grupos: filtros digitales y filtros analógicos.
Los filtros digitales trabajan en el dominio digital, utilizando datos digitales como señales de entrada.
La segunda categoría, los filtros analógicos, utiliza las técnicas estándar de los circuitos lineales para su
construcción. La implementación de filtros analógicos se puede dividir en dos subcategorías: filtros
pasivos y filtros activos. Los filtros pasivos sólo utilizan resistencias, bobinas y condensadores, mientras
que los filtros activos usan dispositivos activos (es decir, transistores discretos o amplificadores
operacionales). [11]
En este trabajo solamente se utilizarán los filtros analógicos activos ya que el circuito está
basado en amplificadores operacionales.
Tipos de filtros
Independientemente de cómo se construya un filtro, normalmente suelen corresponder a uno
de los cuatro tipos básicos de respuesta. Estos tipos son: pasa-altas, pasa-bajas, pasa-banda y rechaza banda,
que se explicarán a continuación.
3.3.1 Filtro Pasa Altas
Un filtro pasa-altas sólo permite el paso a través de frecuencias por encima de una
determinada frecuencia de corte. En otras palabras, atenúa las componentes de baja frecuencia. En la
figura 3.16 se muestra su respuesta general en amplitud en función de la frecuencia. [11]
Figura 3.16. Respuesta del filtro pasa alto [11].
30 Elementos de Diseño
Capítulo 3 3.3.2 Filtro Pasa Bajas
Un filtro pasa-bajas actúa al contrario del filtro pasa-altas, es decir, sólo permite el paso de las
señales de baja frecuencia, suprimiendo las componentes de alta frecuencia. Su respuesta se muestra en
la figura 3.17.
Figura 3.17. Respuesta del filtro pasa bajas. [11].
3.3.3 Pasa Banda
El filtro pasa-banda puede entenderse como una combinación de los filtros pasa-altas y pasabajas. Sólo, permite el paso a través de las frecuencias comprendidas dentro de un margen
especificado. Su respuesta se muestra en la figura 3.18.
.
Figura 3.18. Respuesta del filtro pasa banda [11].
3.3.4 Filtro Rechaza Banda
El inverso lógico es el filtro rechaza banda, que permite el paso a través de todas las
frecuencias, con la excepción de un margen especifico de frecuencias. La respuesta en amplitud en
función de la frecuencia se muestra en la figura 3.19.
31 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.19. Respuesta del filtro rechaza banda [11].
Cada diagrama consta de tres regiones básicas. El área plana es la región que la señal de
entrada puede atravesar y se conoce como banda de paso. El extremo de la banda de paso viene indicado
por la frecuencia de corte. La frecuencia de corte normalmente se define como el punto en el que la
respuesta cae 3 dB respecto a su valor en la banda de paso. El área donde la señal de entrada se
suprime completamente se denomina banda suprimida. La sección entre la banda de paso y la banda
suprimida se denomina banda de transición. Estas secciones se indican en la figura 3.20 para el filtro pasobajo. [11]
Figura 3.20. Regiones de los filtros [11].
3.3.5 Filtros de retroalimentación Múltiple
El filtro básico con realimentación múltiple es un filtro que contiene dos dispositivos
reactivos, como se muestra en la figura 3.21. Dos de ellos crean la respuesta del filtro pasa-bajas (R1C1)
y el otro crea la respuesta del filtro pasa-altas (R2C2). Debido a esto, las pendientes de atenuación son
±6 dB. La ganancia de pico para este circuito es
(1)
32 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.21. Filtro pasa banda con retroalimentación múltiple [11].
A partir de la ecuación (1) puede comprobar que los valores de Q altos producirán ganancias
altas. Para un Q de 10, la ganancia de tensión será 200. Normalmente, se incluye un factor de seguridad
de 10 con el fin de mantener una alta estabilidad y una baja distorsión. Combinando estos factores,
podemos determinar la frecuencia f0dB mínima aceptable del amplificador operacional.
o, más directamente
En muchas aplicaciones, es preferible utilizar la versión de ganancia unidad. Esto no es
especialmente complicado de conseguir: todo lo que hay que hacer es atenuar la señal de entrada por
un factor igual a la ganancia de tensión del filtro. Dado que la magnitud de la ganancia del filtro es 2Q2,
la atenuación será
3.4 Convertidor Analógico- Digital
Como se puede ver en la fgura3.22 se muestra el diagrama a bloques simplificado de un
conversor comercial. Este es el convertir analógico digital ADC0804. Las líneas de control indican al
conversor A/DADC0804 que primero muestree y digitalice la tensión analógica de entrada. Segundo, las
líneas de control indican al conversor A/D que genere la salida binaria de 8 bits.
33 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.22. Convertidor A/D
La salida de 8 bits será directamente proporcional a la tensión analógica de entrada. Si la
tensión de entrada fuese 5 V, la salida binaria sería 11111111, pero si la tensión de entrada fuese 0 V, la
salida binaria sería 00000000.
El CI ADC0804 es un conversor A/D de aproximaciones sucesivas CMOS de 8 bits. El
tiempo de conversión del CI ADC0804 es menor de 100 µs, y todas las entradas y salidas son compatibles TTL. Opera con una fuente de alimentación de 5 V, y puede manejar un rango completo de
entradas analógicas de 0 a 5 V entre las terminales 6 y 7. El CI ADC0804 tiene un generador de reloj
en el chip que sólo necesita un resistor y capacitor externo (ver figura 3.24).
En la figura 3.24 se muestra un sencillo montaje de laboratorio utilizando el conversor A/D
ADC0804. La tensión analógica de entrada se obtiene entre la parte móvil del potenciómetro de 10 kΩ
y tierra. La resolución del conversor A/D es
de la tensión analógica a escala completa
(considerando 5 V ). Por cada incremento de 0,02 V
, la salida binaria aumenta en
1. Además, si la entrada analógica es igual a 0.1 V, la salida binaria será 00000101 (0.1 V/0.02 V = 5, y
el decimal 5 = 00000101 en binario).
34 Elementos de Diseño
Capítulo 3 Figura 3.23. Circuito integrado A/D de 8 bits ADC0804.
La transición de ALTA a BAJA del pulso de reloj en la entrada WR del ADC0804 es cuando
comienza el proceso de conversión. La salida binaria aparece 100µs más tarde en los indicadores de la
derecha. Este conversor A/D puede hacer más de 5.000 conversiones por segundo. Las salidas son
buffers de tres estados. El conversor A/D ADC0804 tiene una salida de interrupción (INTR) que sirve
para indicar al sistema microprocesador cuándo termina la conversión analógica a digital. [19]
Figura 3.24. Montaje de un circuito con el A/D ADC0804
35 Elementos de Diseño
Capítulo 3 3.5 Montaje de Superficie
La tecnología SMD (Surface Mount Device) se emplea mucho actualmente en la industria.
Consiste en soldar los componentes sobre la superficie del circuito impreso sin necesidad de realizar
perforaciones (las pistas estarán en la misma cara que los componentes). Presenta bastantes ventajas
para su utilización industrial, por simplificar el proceso de soldadura. Sin embargo, dependiendo del
material de que se disponga, su soldadura manual puede ser muy complicada.
Existen numerosos métodos de soldadura SMD. Algunos sólo son aplicables en fábrica (como
la soldadura por vapor de estaño, por ola, o por baño), pero otras se pueden utilizar “artesanalmente”
si se dispone del material adecuado.
Mediante un soldador convencional
Los componentes con una mayor separación entre patillas (por ejemplo, componentes
discretos como resistencias, o integrados tipo SOIC) pueden ser muy sencillos de soldar mediante
procedimientos similares a los utilizados con componentes “a través de agujero”. Como no hay un
fijación mecánica entre el componente y la placa (como la que había al introducir la patilla por el
agujero), es importante mantener el componente bien alineado sobre los pads. Para ello se puede
agarrar con un palillo mientras se suelda la primera patilla, o se puede pegar de antemano con algún
tipo de pegamento. Una vez el componente está fijo en su sitio se sueldan el resto de las patillas una a
una.
Si el componente tiene muchas patillas, o éstas están demasiado juntas (por ejemplo en
integrados TQFP), aún es posible soldarlo con soldador, pero ya es más complicado. El primer
problema es el alineamiento, ya que al ser la separación entre patillas tan estrecha es complicado dejarlo
completamente alineado. Una vez fijado el componente a la placa, es imposible soldar cada patilla por
separado, por lo que se aplica estaño sobre todas las patillas en conjunto, sin preocuparse por los
cortocircuitos, para luego retirar el estaño sobrante utilizando cinta de desoldar.
Mediante una estación de aire caliente
Una estación de aire caliente es similar a una decapadora, aunque con una temperatura
regulable y un flujo de aire mucho menor (y regulable). Con ella es posible soldar cómodamente casi
cualquier componente SMD.
En vez de estaño en hilo se utiliza pasta de estaño. Ésta consiste en microesferas de estaño, de
unas micras de diámetro, suspendidas en una pasta de flux. Cuando se le aplica aire caliente, al llega a
cierta temperatura el flux se licúa y se activa, limpiando las superficies. A una temperatura ligeramente
superior se funde el estaño, soldando efectivamente el componente.
Para soldar componentes discretos, con patillas muy separadas, o con patillas muy grandes, se
pone una bolita de pasta en la placa en el sitio de cada pad. Si el componente tiene las patillas más
juntas se colocan una tira de pasta a lo largo de todos los pads. La cantidad de pasta a depositar se
aprenderá con la experiencia, pero hay bastante margen. Una vez estañados todos los pads, se coloca el
componente encima aplastándolo contra la placa. Se repite el mismo proceso para todos los
36 Elementos de Diseño
Capítulo 3 componentes que se quieran montar en la placa. La pasta es algo viscosa, por lo que un componente
colocado no se moverá a no ser que lo toquemos.
Una vez colocados los componentes, se empieza a dar aire caliente por zonas. No se debe
dejar la tobera quieta sobre un único punto, ya que podría provocar un calentamiento muy irregular y
sería fácil dañar algún componente (no necesariamente aquel sobre el que está colocada la tobera).
Debe moverse constantemente sobre una zona hasta que se funde el estaño, para entonces pasar a otra
zona.
La temperatura dependerá de lo delicados que sean los componentes a soldar y del tipo de
pasta utilizado, pero suele rondar entre 300 y 400oC.
Al calentar la pasta bajo un componente ocurren dos cosas. En primer lugar el flux se hace
líquido y muy resbaladizo, lo que permite que el componente patine desplazándose de su sitio.
Para evitarlo es necesario que el flujo de aire no sea demasiado fuerte, pero de todas formas un
ligero desplazamiento tampoco suele suponer un problema. Después de la activación del flux se funde
el estaño, y en ese momento, por adsorción los pines del componente y los pads de la placa se atraen
fuertemente, por lo que el componente tenderá a volver a su sitio y dejar ed patinar (aún con el estaño
fundido). Este efecto se nota tanto más cuantas más patillas tenga el componente, lo que hace que el
alineamiento de los integrados antes de soldar no sea importante.
En componentes discretos (como resistencias), a veces al calentarlo el componente se levanta
quedando de pie sobre uno de sus pads. Eso suele indicar un exceso de estaño en ese pad.
En un integrado el exceso de estaño se nota porque aparece una bolita cortocircuitando dos o
más patillas. La falta de estaño es mucho más complicada de notar, y suele ser recomendable el uso de
un microscopio o lupa potente. También puede ocurrir que el componente salga volando sobre la placa
o se desplace de sus pads; en ese caso será necesario reducir el flujo de aire.
Desoldar un componente mediante aire caliente es tan sencillo como soldarlo. Se aplica aire, y
cuando el estaño se derrite se retira el componente. Existen unos adaptadores para la extracción de
componentes, que están compuestos por una caja metálica para concentrar el aire en los pines del
componente, y una ventosa (conectada a un generador de vacío) con un muelle que levanta el
componente en el instante en que se derrite el estaño.
Una vez terminada la placa, algunas veces quedan unas minúsculas bolitas de estaño aisladas,
separadas de los pads. Es muy importante revisar el espacio entre las patillas de los componentes de
menor separación entre pines para asegurarse de que esas bolitas no están formando un cortocircuito.
Mediante un horno
El método de soldadura SMD más elaborado es la soldadura por horno. El procedimiento es
similar al de la soldadura por aire caliente, con la diferencia de que no se suelda por flujo de aire zona a
zona, si no que una vez colocados todos los componentes de la placa, ésta se introduce en un horno de
soldadura.
37 Elementos de Diseño
Capítulo 3 El horno debe programarse de modo que la temperatura interior siga una secuencia concreta.
Los tiempos y temperaturas concretas pueden consultarse en la hoja de características de casi cualquier
componente SMD, o en las notas de aplicación de los fabricantes. Presenta algunas ventajas sobre la
soldadura por aire, como por ejemplo que se pueden soldar varias placas de una vez, o que como el
calentamiento es homogéneo, la temperatura máxima alcanzada es inferior (hay componentes que no
pueden ser soldados por aire y sí en horno). A cambio, tiene la desventaja de que no se puede utilizar
para desoldar componentes. [15]
AHORRO: Es posible adaptar un pequeño horno de casa utilizando un microcontrolador y un
sensor de temperatura (generalmente un termopar) para regular la temperatura y las transiciones de
forma precisa.
38 “Obrar es fácil, pensar es difícil; pero obrar
según se piensa, es aún más difícil”
Johann W. Goethe
Diseño y Construcción
Capítulo 4 Capitulo 4.Diseño y Construcción
4.1 Etapas del proyecto
El proyecto está formado por varias etapas (ver figura 4.1). A continuación se
describirá el funcionamiento de cada una de ellas .
Figura 4. 1. Diagrama a bloques del Sistema
39 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Etapa de entrada (micrófono).
Esta etapa, consta de un transductor que se encarga de capturar todas las señales analógicas de
acuerdo a sus características físicas (apéndice A), en el proyecto se utilizó un micrófono de electret.
Figura 4.2. Micrófono de electret
Etapa de preamplificación.
El preamplificador es una etapa que se usa generalmente para amplificar los voltajes débiles de
señal que generan algunas fuentes de audio de baja salida. El dispositivo a utilizar es el amplificador
operacional LM324 (apéndice B).
Figura 4.3. Circuito integrado LM324
V3
Rf
300mVpk
1kHz 4
0°
10kΩ
3
Ri
11
2
U1A
2
1kΩ
1
03
4
LM324AD
Figura 4.4. Diagrama de un amplificador inversor.
40 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Seguidor de voltaje.
En esta etapa se utiliza el mismo amplificador operacional (LM324) pero con la configuración
de seguidor de voltaje, que como su nombre lo indica, lo que hace es seguir el voltaje que éste tiene a
su entrada y a su vez sirve para mantener la corriente constante a su salida y con ello acoplar las
etapas en donde se encuentra ubicado.
XFG1
1
11
U1A
2
1
2
3
0
4
LM324AD
Figura 4.5. Configuración seguidor de voltaje
Filtros
Filtro Pasa-Banda con retroalimentación múltiple.
Esta etapa trata de un filtro pasa banda activo, que sirve para seleccionar un rango de
frecuencias (en este caso son las del rango audible que se encuentran entre 20 y 20KHz) en el cual va a
trabajar este circuito; en cuanto a la parte de retroalimentación múltiple, ésta se refiere a que un mismo
dispositivo (amplificador operacional LM324) tendrá varias retroalimentaciones al mismo tiempo, esto
se hace con el fin de que el circuito sea más pequeño y ocupe el menor espacio posible y por ende
reducirá los costos del mismo(ver figura 4.6).
C2
33pF
XFG1
R1
3
0
6
C1
R2
242kΩ
2
100pF
R3
23.9kΩ
2
11
U1A
1
1
R4
1kΩ
5
242kΩ
V1
6V
0
R5
1kΩ
3
4
TL084ACD
7
Figura 4.6. Configuración del filtro pasa banda con retroalimentación múltiple.
41 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Filtro Pasa-Altas.
Esta etapa solamente ajusta y refuerza la señal para que se apegue al comportamiento de la
curva de ponderación A (Anexo A). En el diseño de este circuito se utilizó un filtro pasa altas al cual se
le hicieron los ajustes necesarios para moldear la respuesta del filtro y obtener los resultados
mencionados anteriormente.
R3
XFG1
36.5kΩ
3
11
U1A
4
2
C1
2
100nF
1
3
1
4
LM324AD
R4
124.7kΩ
0
Figura 4.7. Configuración del filtro pasa altas
Acoplamiento de señal
Como se está trabajando con señales analógicas y éstas oscilan entre voltajes positivos y
negativos y dado que la siguiente etapa es la de conversión analógica a digital y ésta solamente trabaja
en un rango de 0 a 5volts, por lo tanto, se necesita una componente de corriente directa (cd) para
ubicar la señal de corriente alterna (ca) dentro del rango antes mencionado.
Primeramente se amplifica la señal de corriente alterna (para no amplificar la componente de
cd), después de esto se inyectan las dos señales (ca y cd) a un sumador que coloque la señal de ca sobre
2.5vcd y para esto se hacen algunos ajustes en el circuito para aproximarlo a este valor.
R8
R7
R12
20kΩ
10kΩ
11
7
U2A
2
1kΩ
1
10
3
V2
6V
16
R13
1kΩ
4
14
LM324AD
R9
17
11
10kΩ
U2B 18
6
R10
7
10kΩ
5
4
LM324AD
0
0
R14
1kΩ
Figura 4.8. Acondicionamiento de la señal
42 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Conversión Analógica a Digital.
Para la conversión analógica digital se utilizó el convertidor analógico digital ADC0804
(apéndice C) para que éste digitalice todo lo que reciba. Se tendrá un medio de almacenamiento en una
PC, para que nos permita ver los datos registrados durante algún tiempo y se puedan manipular
mediante una interfaz en el puerto paralelo entre estos dos dispositivos.
Figura 4.9. Configuración convertidor ADC0804
Calibración
Para lograr la comunicación entre los dos dispositivos mencionados anteriormente se hizo uso
del software Microsoft Visual Studio C#; realizando el algoritmo deseado, lo que se consigue es la
recepción y envío de datos de manera bidireccional entre los dispositivos interventores, así como
almacenar los datos para modificarlos, y a su vez también poder analizarlos y posteriormente crear
patrones para que cada vez que se envíen nuevos datos, éstos sean comparados con dichos patrones
adecuándolas a las necesidades de las personas que tengan que utilizar este tipo de aparatos.
El programa funciona de dos formas:
La primera es en modo de captura, al cual se le asigna un tiempo y durante este periodo
almacena los datos en un archivo .dat que podrán ser visualizados cuando se desee.
La segunda función es en modo voltmetro. Aquí solamente podemos ver los valores que se
están enviando desde el ADC hacia la computadora, éstos valores no se pueden guardar porque el
archivo se haría muy grande.
43 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Figura 4.10. Pantalla del programa
Conversión Digital a Analógica.
Esta etapa va a convertir la señal digitalizada, ya sea directamente del ADC o de la PC
(después de ser ajustada la señal o los datos almacenados en la misma), estos se colocan a la entrada del
convertidor digital analógico para que sean procesados y los datos sean analógicos nuevamente.
Figura 4.11. Configuración del DAC
44 Diseño y Construcción
Capítulo 4 Control de Volumen
Esta etapa controla la ganancia del sistema, manteniendo una retroalimentación con la entrada
para darle la ganancia que se desee y así variar la intensidad de los sonidos de acuerdo a las necesidades
de cada persona.
Figura 4.12. Control de ganancia.
Etapa de salida
Finalmente, esta etapa consta de un transductor tipo altoparlante para que reproduzca y envíe
los sonidos esperados al sistema auditivo; la característica principal de este dispositivo es que debe ser
pequeño.
Figura 4.13. AUD-310
45 Diseño y Construcción
Capítulo 4 0
R2
1kΩ V1
5
1kΩ
R1
1
C1
6V
Rf
V3
150mVpk
1kHz
0°
R3
6
3
11
Ri
4
100nF
10kΩ
2
160Ω
U1B
11
U1A
2
1kΩ
R11
6
1
03
7
220kΩ
5
LM324AD
4
LM324AD
4
19
U1C
11
C2
9
9
8
100nF
R22
47kΩ
8
10
LM324AD
4
0
R5
15
36.3kΩ
11
U1D
13
C4
12
14
12
47nF
R7
R12
20kΩ
R8
11
7
U2A
2
1kΩ
1
10
3
V2
6V
16
R13
1kΩ
4
14
LM324AD
R9
11
10kΩ
U2B 18
6
R10
7
10kΩ
LM324AD
0
10kΩ
17
4
R6
5.6kΩ
R4
15Ω
13
C3
220nF
5
4
LM324AD
0
0
R14
1kΩ
Figura 4.14. Diagrama del acondicionamiento de señal
46 “La ciencia se compone de errores, que a
su vez, son los pasos hacia la verdad”
Julio Verne
Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 Capitulo 5. Pruebas y Análisis de Resultados
Las pruebas se fueron haciendo en cada una de las etapas para observar a detalle el
comportamiento del sistema en cada una de sus etapas.
5.1 Etapa de Preamplificación
Tabla 5.1. Valores obtenidos en el Preamplificador
Vpp in (V) Vpp out (V)
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
0.0599
0.15
0.199
0.331
0.434
0.489
0.635
0.724
0.799
0.967
1.035
1.137
1.244
1.293
1.476
1.487
1.606
1.716
1.798
1.904
2.003
2.109
2.192
2.283
2.417
2.537
2.621
2.697
2.847
2.923
2.997
3.0712
3.1387
3.219
3.257
3.327
3.373
3.392
47 Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 Preamplificación
4
3.5
3
2.5
Voltaje de Salida (V)
2
Preamplificación
1.5
1
0
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
0.5
Voltaje de Entrada (V) Figura 5.1.Gráfica de los valores obtenidos en la etapa de preamplificación
Como se puede apreciar, el preamplificador está trabajando de manera correcta, la
respuesta que éste presenta es lineal y por lo tanto es adecuado para el sistema.
5.2 Seguidor de Voltaje
Tabla 5.2. Valores obtenidos en el Seguidor de Voltaje
Vppin (V)
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Vppout (V)
0.0498
0.0999
0.1898
0.2909
0.389
0.489
0.599
0.679
0.779
0.901
0.987
1.091
1.207
1.3
1.394
48 Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
1.555
1.641
1.697
1.8
1.901
2
2.091
2.256
2.293
2.399
2.5
2.6
2.717
2.798
2.914
2.989
3.063
3.13
3.19
3.239
3.297
3.34
3.399
Seguidor de Voltaje
4
3.5
3
2.5
Voltaje de Salida (V)
2
Seguidor de Voltaje
1.5
1
0.5
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
0
Voltaje de entrada (V)
Figura 5.2.Gráfica de los valores obtenidos en la etapa del seguidor de voltaje
49 Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 El comportamiento que el seguidor de voltaje tiene, es el adecuado y está
manteniendo los voltajes como se esperaba.
5.3 Filtro Pasa Banda
Tabla 5.3. Valores obtenidos en el Filtro Pasa Banda
FRECUENCIA (KHz) Vpp out (mV)
0.0125
0.025
0.05
0.1
0.2
0.4
0.8
1.6
3.2
6.4
12.8
25.6
51.2
0.42
0.842
1.01
1.07
1.08
1.08
1.08
1.08
1.07
1.03
0.899
0.63
0.32
Filtro Pasa Banda
1.2
1
0.8
Voltaje de salida (mV)
0.6
Filtro Pasa Banda por
Bandas de Octava
0.4
0.2
6.
4
12
.8
25
.6
51
.2
3.
2
1.
6
0.
8
0.
4
0.
2
0.
1
0.
05
0.
01
2
5
0.
02
5
0
Frecuencia (KHz)
Figura 5.3.Gráfica de los valores obtenidos en la etapa del Filtro Pasa Banda
50 Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 Como podemos ver en la tabla y la gráfica obtenida en el filtro Pasa Banda, se aprecia
que el filtro se comporta de una manera adecuada, lo que indica que hasta aquí el circuito
esta funcionando correctamente.
5.4 Filtro Pasa Altas
Tabla 5.4. Valores obtenidos en el Filtro Pasa Altas
FRECUENCIA Vpp out (mV)
0.01
0.02
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
0.0079
0.0251
0.0837
0.175
0.341
0.483
0.6
0.694
0.767
0.824
0.869
0.904
0.932
1.04
1.05
1.05
1.04
1.03
1.01
0.995
0.978
0.959
0.937
0.916
0.897
0.875
0.854
0.833
0.812
0.791
0.772
0.751
0.733
51 Pruebas y Análisis de Resultados
Capítulo 5 Filtro Pasa Altas
1.2
1
0.8
Voltaje de salida (mV)
0.6
Filtro Pasa Altas
0.4
0.2
19
21
17
15
13
9
11
7
5
3
1
0.
8
0.
4
0.
6
0.
2
0.
01
0.
05
0
Frecuencia (KHz)
Figura 5.4.Gráfica de los valores obtenidos en el Filtro Pasa Altas
En la figura anterior se puede ver que el comportamiento en frecuencia que tiene
el filtro pasa altas es el adecuado (más aproximado) a la curva de ponderación A, lo que
indica que los resultados obtenidos hasta esta parte del sistema son correctos.
5.5 Calibración
En esta parte del proyecto se han hecho pruebas, de las cuales, los resultados
obtenidos no han sido los esperados, es por esto que se han hecho algunas modificaciones a la
etapa de acoplamiento del sistema para mejorar su respuesta y por lo tanto su funcionamiento
y así, poder calibrarlo adecuadamente.
52 “Me interesa el futuro porque en el
voy a pasar el resto de mi vida”
Nicolás Mancini
Análisis de Costos
Capítulo 6 Capitulo 6. Análisis de Costos
De acuerdo a datos obtenidos en PROFECO:
El precio de estos aparatos depende de factores como el nivel de sordera, el tipo de tecnología
(análoga o digital), la calidad del auxiliar, entre otros. En el siguiente cuadro se puede ver un
comparativo de precios, donde se observan diferencias significativas. [20]
Tabla 6.1. Comparativos de precios de auxiliares auditivos
Comparativos de precios de Auxiliares Auditivos
Nivel de Sordera
Tipo de Auxiliar
Leve
Desde
Intracanal
Análogo
Moderada
Severa
Hasta
Desde
Hasta
Desde
Hasta
$4,000 $4,605
$1,950
$4,450
$4,700
$5,000
$6,200 $6,300
$3,700
$6,700
$5,700
$5,900
$395
$1,500
$1,950
Profunda
Desde
Hasta
$2,950
$4,900
Interno
Intracanal
Digital
Curveta o
retroauricular
análogo
Externo
Curveta o
retroauricular
$3,500 $13,500 $2,950 $16,000 $5,200 $16,000
digital
53 Análisis de Costos
Capítulo 6 Tabla 6.2 Costos Prototipo
Cantidad
2
6
1
10
2
8
5
1
1
1
1
1
1
1
160
80
Costos Prototipo
Componente
Amplificador LM324
Capacitor cerámico
Convertidor ADC
Resistencia de 1/4 watt
Resistencia de precisión de 1/4 de watt
Trimpot
Cable Telefónico (metros)
Interfaz (header)
Convertidor DAC
Amplificador LM386
Micrófono de electret
Buffer 74LS244
Miniplug hembra
Audífono
Hora Ingeniero
Mano de obra por hora
Precio Unitario
$
5.50
$
1.50
$
50.00
$
0.50
$
2.00
$
12.00
$
2.00
$
50.00
$
50.00
$
7.00
$
10.00
$
10.00
$
50.00
$
20.00
$
100.00
$
50.00
Subtotal
$
11.00
$
9.00
$
50.00
$
5.00
$
4.00
$
96.00
$
10.00
$
50.00
$
50.00
$
7.00
$
10.00
$
10.00
$
50.00
$
20.00
$ 16,000.00
$ 4,000.00
Total $20,382.00
Después de haber obtenido los costos del proyecto, se decide que el costo del auxiliar auditivo
será de aproximadamente $ 1,000.00. De acuerdo a los datos obtenidos en PROFECO y tomando
como referencia el auxiliar auditivo externo digital para una sordera moderada que tiene un costo de $
3,500.00 (ver tabla 6.1), el precio del prototipo es aproximadamente 3 veces menor que un auxiliar
externo digital, esto indica que el proyecto es más económico que los que se encuentran en el mercado,
actualmente.
54 “Lo realmente importante no es llegar a la
cima; sino saber mantenerse en ella”
Louis Charles Alfred de Mussef
Conclusiones Conclusiones
El oído es una parte fundamental del ser humano, siendo uno de los sentidos más
importantes porque nos sirve para comunicarnos. Este sentido se adquiere desde el
principio de la vida, con la voz de nuestra madre hasta el final de nuestros días, es por
esto que se desarrollo este proyecto, para todas aquellas personas que han ido perdiendo
este sentido tan indispensable puedan encontrar una solución a esta enfermedad.
En el diseño y construcción de este proyecto se demuestra que se pueden
manufacturar dispositivos de calidad con componentes que se encuentran en el mercado
nacional y por lo tanto económico a diferencia de otros auxiliares auditivos que son de
tecnología extranjera.
Durante el desarrollo de cada una de las etapas del sistema, se hicieron diferentes
pruebas (de manera separada), donde se observó el comportamiento de las mismas para
analizar los resultados y realizar las modificaciones necesarias. Posteriormente se fueron
uniendo las etapas al sistema y nuevamente se realizaron pruebas para verificar su
funcionamiento y hacer nuevos ajustes ya que al unirlas, el sistema llegaba a presentar
algunas variaciones a la salida.
La parte fundamental de este proyecto es la propuesta de utilizar dispositivos
digitales. En lo que respecta a la calibración del sistema, se requirió del uso de algún
dispositivo de almacenamiento y para esto se eligió una PC que mediante el puerto
paralelo y una interfaz gráfica ayudara a capturar y mostrar los datos que recibe del
convertidor para ser analizados y modificados según sea necesario. El buen
funcionamiento de la etapa depende de la cantidad de datos que reciba el convertidor en
determinado tiempo y esto se determina introduciendo una frecuencia de muestreo
deseada.
Trabajo a futuro
Se deja abierta la posibilidad de utilizar otro dispositivo con características
digitales y que el procesamiento sea más rápido y autónomo para que el sistema se adapte
a las necesidades de cada persona que padezca sordera.
Hacer que el sistema trabaje con un ahorrador de energía, es decir, que el sistema
solamente trabaje cuando éste detecte algún sonido mínimo ya preestablecido, por lo
tanto, esto también ayuda a que la duración de las baterías sea prolongada y al mismo
tiempo contribuir con la ecología.
55 Bibliografía Bibliografía
[1] “Historia de los micrófonos”. Disponible en: http://www.mah.org.ar/info_histaudif.htm
[2] “Partes del oído”. Disponible en: www.centroauditivoleones.com/audicion.htm.
[3] “Audición, oticon”. Disponible en: www.atlas.oticon.es/eprise/main/Oticon/
ES_es/SEC_AboutHearing/LearnAboutHearing/Products/SEC_Atlas/AboutHearing/Medi
calAspects/REUSE02_HowDoesTheEarWork.
[4] “Hipoacusia”. Disponible en: www.comaudi.com/auxiliares/hipo.php.
[5] “Enfermedades del oído”. Disponible en: es.wikipedia.org/wiki/Sordera.
[6] “Partes de un auxiliar auditivo”. Disponible en:
compugente.com/nuestroshijoshablaran/auxiliares/index.php?recordID=37.
[7] “Radiografía de un auxiliar auditivo”. Disponible en: www.bradingrao.com/hearaids.htm.
[8] “Tipos de auxiliares auditivos”. Disponible en:
www.dresanchez.com/New_Site/Site_Spanish/hearing_aids_espanol.htm.
[9] “Electroacústica altavoces y mediciones”, Pueo Ortega Basilio, ed. Pearson Educación,
Madrid, 2003, capitulo 5: Micrófonos, capitulo 6: Altavoces.
[10] “Electroacústica”, Saposhkov M.A. ed. Reverté, 1983, capitulo 5: Micrófonos, capitulo 6:
altavoces y auriculares.
[11] “Operational Amplifiers and linear Integrated Circuits: Theory and Aplications”, M Fiore
James, Nest publishing company, 1992, Capitulo 2, 3, 4, 11, 12.
[12] “Figuras, tipos de micrófonos”. Disponible en:
www.ehu.es/acustica/espanol/electricidad/transes/transes.html
[13] “Amplificadores Operacionales y filtros activos”, Pertenece Junior Antonio, mc grawhill
1991 pp 144 protección contra ruidos de la fuente de alimentación pp188 – 191 filtros de
retroalimentación múltiple.
[14] “Amplificadores Operacionales y Circuitos integrados lineales”, Coughlin Robert F.,
Prentice Hall hispanoamericana S.A. 1993, Capitulo 3: Amplificadores inversores y no
inversores, Capitulo 11: Filtros activos., Capitulo 14; DAC, ADC.
[15] “Montaje de Superficie”. Disponible en: www.garcia-cuervo.com/picmania.garciacuervo.net/recursos/RedPicTutorials/Fabricacion%20PCB/PCBs_preliminar.pdf
56 Bibliografía [16] Adecuación de señales de voz al procesador TMS32010, Octubre 1987, Tesis para
obtener el grado de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica.
[17] Hernández Pérez Edmundo, Detección de superficies continuas por medio de ondas
ultrasónicas, Agosto 2005, Tesis para obtener el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería
Electrónica.
[18] Jiménez Hernández Mario, Detección por medio de ondas ultrasónicas el entorno en la
trayectoria de un móvil, Agosto 2007, Tesis para obtener el grado de Maestro en Ciencias en
Ingeniería Electrónica.
[19] “Principios Digitales”, Tokheim l. Roger, Mc. Graw Hill, 3ra edicion, pp. 148-152.
[20] “Tabla comparativa” . disponible en:
www.profeco.gob.mx/encuesta/brujula/bruj_2006/bol14_auditivos1.asp.
[21] www.national.com
[22] www.datsheetcatalog.com
57 Apéndice Apéndice A. Hojas de Esp ecificaciones del micróf on o electret
58 Apéndice 59 Apéndice Apéndice B. H oja de Especificación del Amplificador Operacional
LM324
60 Apéndice Apéndice C. Hojas de Especificaciones del ADC0804
61 Apéndice 62 Apéndice Apéndice D. Especificaciones Técnicas del audífono AUD-310
63 Apéndice Apéndice E. Especificaciones Técn icas del DAC0808
64 Anexo Anexo A. Curva de Ponderación A
Curvas de ponderación
Respuesta relativa para los medidores de nivel sonoro Las respuestas en dB se expresan en forma
relativa con respecto a la respuesta a 1,000 Hz.
Frecuencia en
HZ
Curva A
Curva B
Curva C
Curva D
10.0
12.5
16.0
20.0
25.0
31.5
40.0
50.0
63.0
80.0
100.0
125.0
160.0
200.0
250.0
315.0
400.0
500.0
630.0
800.0
1,000.0
1,250.0
1,600.0
2,000.0
2,500.0
3,150.0
4,000.0
5,000.0
6,300.0
8,000.0
10,000.0
12,500.0
16,000.0
20,000.0
-70.4
-63.4
-56.7
-50.5
-44.7
-39.4
-34.6
-30.2
-26.2
-22.5
-19.1
-16.1
-13.0
-10.9
-8.6
-6.6
-4.8
-3.2
-1.9
-0.8
0.0
0.6
1.0
1.2
1.3
1.2
1.0
0.5
-0.1
-1.1
-2.5
-4.3
-6.6
-9.3
-38.2
-33.2
-28.5
-24.2
-20.4
-17.1
-14.2
-11.6
-9.3
-7.4
-5.6
-4.2
-3.0
-2.0
-1.3
-0.8
-0.5
-0.1
-0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
-0.1
-0.2
-0.4
-0.7
-1.2
-1.9
-2.9
-4.3
-6.1
-8.4
-11.1
-14.3
-11.2
-8.5
-6.2
-4.4
-3.0
-2.0
-1.3
-0.8
-0.5
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.5
-0.8
-1,3
-2.0
-3.0
-4.4
-6.2
-8.5
-11.2
-26.5
-24.5
-22.5
-20.5
-18.5
-16.5
-14.5
-12.5
-11.0
-9.0
-7.5
-6.0
-4.5
-3.0
-2.0
-0.5
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2.0
5.5
8.0
10.0
11.0
11.0
10.0
8.5
6.0
3.0
0.0
-4.0
-7.5
65 Anexo Curva de
Ponderación A
66