L’ingegnere acustico Peter Riccardi ha messo a punto un microfono MEMS per strumentazione che può competere con gli strumenti commerciali da laboratorio, ma che costa meno di 30 dollari.
“Gli acustici e gli ingegneri acustici si affidano spesso a microfoni di misura da laboratorio per acquisire segnali fisici durante gli esperimenti”, spiega Riccardi. “I tipici microfoni a condensatore di aziende come PCB PIEZOTRONICS possono arrivare a costare oltre 1.000 dollari per un microfono a campo libero. La qualità di questi microfoni è superba, ma ci sono alternative disponibili per gli hobbisti e gli appassionati che consentono di ottenere prestazioni comparabili a una frazione del costo”.
Con meno di 30 dollari di componenti, questo microfono da laboratorio può battere gli equivalenti commerciali da 1.000 dollari. (📷: Peter Riccardi)
Questo è esattamente ciò che Riccardi ha progettato: un equivalente fai-da-te dei costosi microfoni di misura da laboratorio, ma utilizzando componenti a basso costo e un alloggiamento stampato in 3D per mantenere il costo il più basso possibile, pur mantenendo l’obiettivo di ottenere le stesse caratteristiche della concorrenza commerciale per la banda audio tra 20Hz e 20kHz.
“L’elettronica è divisa in due schede per il prototipo”, spiega Riccardi. “La prima scheda è la scheda portante dei MEMs. Quattro elementi MEMs sono montati su una scheda circolare con piccoli fori passanti sparsi per le necessarie connessioni di alimentazione e di segnale. La seconda scheda è la scheda madre o il preamplificatore. Questa contiene gli ingressi e il condizionamento del segnale per le uscite dei MEM, nonché la conversione IEPE e la modulazione dell’uscita, il tutto realizzato con diodi Zener regolabili”.
C’è un motivo per cui quattro elementi sono stati inseriti in un unico microfono ovvero la riduzione del rumore. “Legando in parallelo le uscite di più sorgenti di rumore (tramite resistenze di piccolo valore), il rumore di fondo in uscita si riduce complessivamente, aumentando così il rapporto segnale/rumore”, scrive Riccardi.
Riccardi ha messo alla prova il progetto in una camera anecoica, trovando le sue prestazioni soddisfacenti. (📷: Peter Riccardi)
“I microfoni a condensatore hanno un eccellente rapporto segnale/rumore con sensibilità tipiche dell’ordine di 50mV/Pa”, continua Riccardi. “Utilizzando quattro elementi MEMs in parallelo, il rapporto segnale/rumore complessivo viene migliorato con uno sforzo e un costo minimi”.
Il prototipo finito è alloggiato in un telaio cilindrico stampato in 3D in due parti, progettato per imitare le dimensioni dei microfoni commerciali. Nei test, il prototipo assemblato ha offerto una risposta in frequenza altrettanto piatta e una sensibilità sufficientemente elevata per l’uso reale: “al di sotto dei 200Hz”, osserva Riccardi, “le sue prestazioni potrebbero addirittura essere migliori del microfono [commerciale]”.
L’articolo completo di Riccardi è disponibile sulla pagina del progetto di Hackaday.io, insieme rispettivamente ai file di progettazione SolidWorks e Altium per l’involucro e il PCB.