Información

Un geófono es un dispositivo utilizado para capturar sonidos poco comunes o difíciles de obtener con micrófonos convencionales. Estos transductores constan de una masa suspendida en un resorte, que convierte las vibraciones en señales eléctricas; éstas son registradas y procesadas por nuestros equipos de grabación de audio como sonidos de baja frecuencia, llegando a registrar sonidos muy graves. No todas las grabadoras de audio son capaces de registrar estos sonidos, ya que algunas llevan limitadores o bloqueadores para estas bajas frecuencias.¹ Dependiendo de la sensibilidad del elemento, puede capturar incluso vibraciones muy pequeñas: como de aparatos eléctricos, tráfico rodado, estructuras urbanas, flujos de agua, colmenas y hormigueros, pequeños instrumentos musicales e incluso el movimientos de árboles.

En geofísica se utilizan para detectar y registrar las vibraciones o movimientos del suelo. Estas vibraciones pueden ser generadas por diversas fuentes, como terremotos, explosiones, maquinaria pesada o el movimiento de fluidos subterráneos —es por ello que son utilizado en la exploración petrolera—. Son un componente esencial de los sismógrafos. Cuanto menor es la frecuencia, más fácil es de detectar, debido a que las vibraciones de baja frecuencia viajan mas fácilmente a través del terreno.

Los geófonos suelen especificarse por su frecuencia natural, es decir, la frecuencia a la que oscila de forma natural la masa de su interior. Para evitar una oscilación excesiva sobre la frecuencia natural, los geófonos se «amortiguan» soldando una resistencia entre sus polos. Por debajo de la frecuencia natural, la respuesta del geófono disminuye progresivamente.

Sensibilidad

Probablemente sea la caracteristica mas importante del geófono, pues va a determinar la capacidad del geófono para registrar pequeñas vibraciones y viene indicada en V/m/s. Que la tapa sea desenroscable, dejando el elemento a la vista, lo hace capaz de registrar vibraciones aún mas leves.²

Amortiguación

Una resistencia de amortiguación en paralelo a los terminales del geófono mejora la detección de vibraciones, pero disminuye su sensibilidad. Los valores de las resistencias de amortiguación vienen indicados en la ficha técnica del fabricante del elemento.

Los valores habituales de amortiguamiento de 0,6 y 0,7 que figuran en las hojas de especificaciones no son una coincidencia. Es entre estos dos valores donde se alcanza el punto de funcionamiento ideal del geófono y tienen una explicación física.³ Por encima del 60% se produce el exceso de oscilaciones —por lo que el geófono esta subamortiguado—, mientras que por debajo del 70% se recupera muy lentamente —en este caso el geófono se encuentra sobreamortiguado— (ver Fig. 4 de SEG Wiki). Esto deja claro que un geófono trabajando en su rango correcto capta los diferentes sonidos/vibraciones con más fidelidad a la realidad. Por lo general, la mayoría de los geófonos están levemente subamortiguados.

Problemas asociados con la falta de amortiguación en un geófono para uso sonoro

Cuando un geófono no está amortiguado, puede experimentar un anillo prolongado o reverberación después de haber sido excitado por una vibración. Esto puede afectar la capacidad del geófono para medir eventos sísmicos sucesivos con precisión, ya que el anillo prolongado puede interferir con nuevas vibraciones antes de que la oscilación anterior se disipe por completo. Esto significa que el geófono puede tardar más en volver a su posición de equilibrio después de haber sido perturbado por una onda sísmica y tener un tiempo de recuperación mas lento.

Cuando el geofono es usado en un ámbito científico, ésto puede ser crítico. La reducción de precisión en las mediciones hace que los datos recopilados sean menos confiables. Esto puede ser crítico en aplicaciones como la exploración sísmica en la industria del petróleo y gas, donde la precisión en la detección de capas geológicas es esencial. Sin un sistema de amortiguación adecuado, el geófono también puede ser más propenso a responder a vibraciones no deseadas o ruido ambiental. Esto puede afectar la calidad de las mediciones y dificultar la interpretación de los datos sísmicos.

Por último, cuando se conecta una resistencia en paralelo, parte del voltaje generado por el geófono cae a través de esta resistencia, lo que reduce el voltaje de salida total del geófono. Debido a esta caída de voltaje, la sensibilidad efectiva del geófono se reduce. La sensibilidad a circuito abierto (sin carga) es la máxima sensibilidad que puede ofrecer el geófono. Al agregar una resistencia de amortiguamiento, se introduce una carga que afecta la conversión de movimiento a señal eléctrica, disminuyendo considerablemente la sensibilidad.

Esto también modificaría la impedancia original del geófono (3.5 kΩ en este ejemplo). Cálculo de la resistencia equivalente de dos resistencias en paralelo:

$$\frac{1}{R_{\text{eq}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$

Donde R1 es la resistencia de 3.5 kΩ y R2 es la resistencia de 5.1 kΩ.

$$\frac{1}{R_{\text{eq}}} = \frac{1}{3.5 \, \text{k}\Omega} + \frac{1}{5.1 \, \text{k}\Omega}$$

$$\frac{1}{R_{\text{eq}}} \approx 0.2857 + 0.1961 \approx 0.4818$$

Para encontrar la resistencia equivalente, invertimos el valor:

$$R_{\text{eq}} = \frac{1}{0.4818} \approx 2.074 \, \text{k}\Omega$$

Obtenemos una resistencia de aproximadamente 2.074 kΩ al amortiguar un geófono al 60% con una resistencia 5K1.

Impedancia

Los micrófonos suelen venir con dos especificaciones de impedancia: impedancia de salida e impedancia de carga. Las señales eléctricas de audio son tensiones de corriente alterna, por lo que la impedancia es un tipo de resistencia de CA. Los micrófonos “habituales” suelen tener una impedancia de salida inferior a 200 ohmios. Estas impedancias tan bajas permiten tendidos de cable muy largos sin degradación del sonido. Lo que supone una gran mejora con respecto a, por ejemplo, las guitarras eléctricas, cuyas pastillas de alta impedancia pierden bastantes agudos con tiradas de cable de sólo 9 metros. Los geófonos especifican únicamente su impedancia de salida, y dependiendo del modelo, puede ser más alta que la de un micrófono (como ya hemos visto, el amortiguamiento afecta a su impedancia).

La impedancia de carga es la impedancia de entrada del dispositivo siguiente, en este caso el preamplificador de micrófono de nuestra grabadora. En términos técnicos, una impedancia de entrada baja representa una carga elevada para el equipo anterior. Esto se debe a que su circuito de salida debe trabajar más para controlar una entrada de baja impedancia. El resultado puede ser una distorsión audible, especialmente a niveles altos. Para evitarlo, queremos que las impedancias de salida bajas exciten cargas ligeras, es decir, impedancias de entrada altas.

Para obtener resultados óptimos, la impedancia de carga debe ser al menos cinco veces superior a la impedancia de salida. Así, si el micrófono tiene una impedancia de salida de 200 ohmios, el preamplificador debe tener una impedancia de entrada de al menos 1.000 ohmios. Y esa es exactamente la cifra que encontrarás en la mayoría de las fichas técnicas de los micrófonos como “impedancia de carga recomendada” o “impedancia de carga nominal”. Se trata de la impedancia de carga mínima con la que el fabricante garantiza todas las demás especificaciones. Si tu preamplificador tiene una impedancia de entrada mayor, no hay ningún problema. Pero si conectas tu micro a un preamplificador cuya impedancia de entrada es significativamente menor, puedes perder algo de gama alta y/o baja, y la capacidad de manejo de SPL puede verse comprometida. Sin embargo, no dañará el micrófono. El valor exacto puede ser importante para los ingenieros de música clásica, que a menudo tienen que trabajar con cables muy largos. Además, casi cualquier preamplificador de estudio viene con una impedancia de entrada superior a la impedancia de carga (mínima) recomendada, por lo que no hay problema.

Cable

Cuando una señal de audio pasa a través de un cable, la capacitancia del cable puede influir en la velocidad a la que la señal viaja a lo largo del cable y en la atenuación de frecuencias altas. Una capacitancia más alta puede causar una atenuación de las frecuencias altas, lo que resulta en una pérdida de claridad y detalles en el audio transmitido. Por lo tanto, en aplicaciones de audio, especialmente en sistemas de alta fidelidad o profesionales, es importante considerar la capacitancia del cable al seleccionar el cable adecuado para una aplicación específica. Los cables diseñados específicamente para aplicaciones de audio suelen tener una capacitancia controlada para minimizar los efectos negativos en la calidad del sonido. Es también muy importante su flexibilidad.

Esquema de cableado

Un geófono actúa como un transductor de señal equilibrada, como un micro dinámico, por lo que las dos patillas de salida del geófono deben ir a los pines 2 y 3; a ningún otro sitio. El pin 1 sólo debe conectarse al blindaje del cable —e incluso, en algunos casos, al cuerpo metálico del geófono o a un apantallado exterior—. El propósito de esto es proporcionar blindaje electrostático.

Circulan algunos esquemas de cableado erróneos por ahí, sugiriendo cortocircuitar los pines 1 y 3. Esto puede traer problemas con la alimentación «phantom», ya que podría llegar a degradar el elemento —los 48V pasarían directamente a través de la bobina del elemento, lo que lo convertiría en un electroimán tal que acabará con la respuesta adecuada del geófono⁴ y sin duda calentaría la bobina, lo que acabaría dañándola—. Ésto solo tendría sentido para una conexión a minijack, la cual no es la más recomendable para conectar geófono.

No hay más que seguir las notas de Rane para saber el esquema de cableado correcto.⁵

Diseño 3D

FreeCAD.