Un timbre o zumbador es un dispositivo de señalización de audio. Genera sonido en un rango de frecuencia de 1 a 7 kHz como indicación de audio. En este rango de frecuencia, el umbral de audición es máximo. Por tanto, el sonido de un timbre es tan penetrante que se nota incluso en un ambiente muy ruidoso. Los zumbadores/bips se utilizan generalmente como alarmas audibles. En muchas aplicaciones se utilizan para proporcionar una indicación audible en respuesta a alguna acción o evento. Se puede utilizar un timbre para producir el sonido de un clic, un pitido o un timbre.
Tipos de timbres
Los timbres vienen en una variedad de construcciones, tamaños y especificaciones. Se utilizan diferentes tipos y tamaños de timbres para diferentes aplicaciones. Según la construcción, existen los siguientes tipos de timbres:
- Zumbadores piezoeléctricos
- Timbres magnéticos
- Timbres electromagnéticos
- Timbres mecánicos
- Timbres electromecánicos
Los zumbadores piezoeléctricos y magnéticos se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones electrónicas. Los zumbadores están diseñados para usarse como transductor o indicador en cualquier circuito.
Timbre como transductor vs. indicador
Los zumbadores/bipers están diseñados para funcionar como transductor o indicador en circuitos electrónicos. Los timbres diseñados como transductores no tienen ningún circuito de activación incorporado. Cuando estos timbres están interconectados en un circuito, requieren una entrada de onda cuadrada para su funcionamiento. Se requiere un circuito de accionamiento externo que alimente la entrada de onda cuadrada al timbre. La ventaja de las campanas transductoras es que pueden activarse para producir diferentes frecuencias según las necesidades de la aplicación. Sin embargo, esto añade más complejidad al diseño y requiere explícitamente diseñar un circuito de accionamiento externo para el timbre.
Los zumbadores diseñados como indicadores tienen un circuito controlador integrado para producir una frecuencia o tono fijo. Estas campanas sólo requieren una fuente de corriente para su activación. Los zumbadores indicadores se pueden activar simplemente aplicándoles un voltaje de CC. A menudo, estos zumbadores pueden controlarse a través de E/S digitales desde un controlador/computadora con o sin circuitos de soporte. Este tipo de timbres se utilizan con mayor frecuencia. Como generalmente no requieren ningún circuito externo complejo, son fáciles y prácticos de usar.
Los zumbadores del indicador y del transductor se pueden utilizar para producir tonos continuos y sonidos de pulso lento/rápido. Para producir un tono constante, un zumbador transductor debe proporcionar una onda cuadrada continua de frecuencia fija, mientras que un zumbador indicador debe proporcionar voltaje CC continuo. Para producir un sonido de pulso lento/rápido, el zumbador del transductor debe emitir pulsos de onda cuadrada de frecuencia fija. Por el contrario, los zumbadores indicadores deben activarse y desactivarse alternativamente, por ejemplo aplicando una señal PWM.
Se pueden producir tonos altos/bajos, sonidos de sirena o zumbador simplemente usando un transductor de zumbador. Se pueden generar tonos altos y bajos cambiando rápidamente la señal de onda cuadrada a un zumbador transductor entre dos frecuencias. El sonido de una sirena se puede producir con un zumbador transductor aumentando periódicamente las frecuencias de onda cuadrada de un zumbador transductor de baja a alta. El sonido de una campana (como el de una puerta) puede producirse mediante un único ciclo lento de frecuencia de onda cuadrada alta y baja para un timbre transductor.
Zumbadores piezoeléctricos
Un zumbador piezoeléctrico funciona según el principio del efecto piezoeléctrico. El componente principal de un zumbador piezoeléctrico es un elemento piezoeléctrico. El elemento está compuesto por una cerámica piezoeléctrica y una placa metálica. Tanto el disco piezoeléctrico como la placa metálica se mantienen unidos mediante un adhesivo. El disco piezocerámico tiene electrodos adheridos. El disco piezoeléctrico se expande y contrae diametralmente cuando se le aplica una corriente alterna. Esto produce vibraciones en el elemento piezoeléctrico y genera sonido de una determinada frecuencia o rango de frecuencias.
Principio de funcionamiento del zumbador piezoeléctrico
El elemento piezoeléctrico se alimenta con corriente alterna desde un circuito oscilador. En los zumbadores piezoeléctricos de tipo indicador, el circuito oscilador está integrado para producir una frecuencia fija o un rango de frecuencias. En los zumbadores piezoeléctricos de tipo transductor, se requiere un circuito oscilador externo. Este circuito oscilador es generalmente un generador de ondas cuadradas.
Muchos zumbadores piezoeléctricos tienen una línea de retroalimentación. En estos zumbadores, el elemento piezoeléctrico está dividido en dos partes aisladas eléctricamente. Cuando se activa el elemento piezoeléctrico principal, comprime el componente de retroalimentación, produciendo un voltaje de retroalimentación. La señal de retroalimentación generalmente se aplica a un circuito de transistor/OP-AMP, que bloquea o amplifica el suministro de corriente al elemento piezoeléctrico.
Los zumbadores piezoeléctricos tienen un amplio voltaje de funcionamiento que oscila entre 3 V y 250 V. La mayoría de los zumbadores piezoeléctricos utilizados en circuitos electrónicos tienen un voltaje de funcionamiento entre 3V y 12V. Estos timbres tienen altos niveles de presión sonora. Tienen un consumo de corriente muy bajo. Mayor es la frecuencia/tono del zumbador piezoeléctrico; menor será su consumo actual. Los zumbadores utilizados en aplicaciones electrónicas tienen un consumo de corriente tan bajo como 30 mA. Los zumbadores piezoeléctricos ocupan un área grande y se prefieren para su uso en aplicaciones electrónicas sensibles al costo.
Construcción de timbre piezoeléctrico
Timbres magnéticos
En un timbre magnético hay un disco ferromagnético sujeto a un poste. Hay imanes alrededor del poste que mantienen el disco en posición de reposo. Hay una bobina debajo del disco ferromagnético que actúa como electroimán. Cuando se suministra corriente a la bobina, el disco es atraído hacia la bobina. Cuando no hay corriente en la bobina, el disco vuelve a su posición de reposo. Un peso encima controla las vibraciones del disco. Cuando se aplica una señal oscilante a la bobina, el campo electromagnético generado por ella también fluctúa, provocando vibraciones en el disco ferromagnético. De esta manera, la campana magnética produce un sonido de frecuencia igual a la frecuencia de la señal oscilante aplicada. Los zumbadores magnéticos vienen en configuraciones de transductor e indicador.
Construcción de timbre magnético
Los zumbadores magnéticos tienen un voltaje de funcionamiento estrecho que oscila entre 1 V y 16 V. Estos zumbadores producen frecuencias nominales más bajas y tienen bajos niveles de presión sonora. Estos tienen un consumo de corriente ligeramente mayor en comparación con los zumbadores piezoeléctricos. Su consumo actual puede alcanzar los 100 mA. Estos timbres ocupan poco espacio y generalmente se utilizan en aplicaciones de consumo de alto nivel.
Especificaciones del timbre
Un timbre tiene las siguientes especificaciones importantes:
Tipo : un zumbador puede ser del tipo transductor o indicador. Ambos tipos de timbres tienen diferentes capacidades y aplicaciones.
Voltaje de funcionamiento : es importante observar el voltaje de funcionamiento antes de usarlo en una aplicación. Los zumbadores piezoeléctricos tienen un amplio rango de voltaje de funcionamiento (3~250 V), mientras que los zumbadores magnéticos tienen un voltaje de funcionamiento estrecho (1~16 V). Los timbres grandes generalmente tienen voltajes de funcionamiento más altos.
Nivel de presión sonora (SPL) : el nivel de presión sonora (SPL) es la desviación de la presión atmosférica causada por la onda sonora. Se expresa en decibeles Pascal. La clasificación SPL es más útil para comparar dos dispositivos de salida de audio. Indica qué tan fuerte produce el sonido el dispositivo. El SPL es generalmente proporcional al voltaje de entrada (voltaje de funcionamiento del zumbador) y generalmente disminuye en 6 dB al duplicar la distancia desde el zumbador.
El decibel no es una unidad, sino una proporción. Un valor expresado en decibeles aumenta exponencialmente en lugar de linealmente durante el conteo. Por ejemplo, 20 dB es diez veces la potencia de 10 dB. El uso de decibelios permite expresar una gama considerable de valores en un espacio relativamente pequeño. Los niveles de presión sonora a los que es sensible el oído humano pueden oscilar entre 20 uPa y 20×10 12 uPa. Por tanto, los niveles de SPL pueden ser de 0 a 120 Db Pa. Los timbres más comunes tienen SPL de 80 dB, 85 dB, 90 dB y 95 dB. Algunos timbres tienen niveles de presión sonora de hasta 105 dB.
Frecuencia de resonancia : la frecuencia de resonancia es la frecuencia a la que un dispositivo tiende a vibrar. Para los zumbadores, esta es la frecuencia a la que tienen el SPL más alto. Los zumbadores producen los sonidos más fuertes y consumen menos energía de entrada cuando vibran en su frecuencia de resonancia. Los zumbadores indicadores generalmente están diseñados para funcionar solo en o cerca de su frecuencia de resonancia.
Impedancia : la impedancia es la relación entre el voltaje aplicado y la corriente. La impedancia de un timbre fluctúa con la frecuencia.
Respuesta de frecuencia : para diferentes frecuencias, un zumbador tiene diferentes valores de SPL. Por tanto, un timbre produce diferentes frecuencias de sonido con diferentes intensidades. Una representación gráfica del SPL de un timbre para varias frecuencias se llama SPL (respuesta de frecuencia), o simplemente respuesta de frecuencia. La respuesta de frecuencia se representa en todo el rango audible del oído humano (de 20 Hz a 20 000 Hz). La respuesta de frecuencia es un factor esencial cuando se utilizan zumbadores transductores en una aplicación. El gráfico es extremadamente útil para diseñar el circuito que acciona las campanas del transductor.
Aplicaciones de timbre
Los timbres pueden producir sonidos de clic, pitido o timbre. También se utilizan para crear sonidos de sirena o timbre. Los zumbadores se utilizan para alarmas/advertencias o como indicadores audibles. Se utilizan en dispositivos de alarma (como despertadores, alarmas contra incendios, alarmas contra intrusos, etc.), temporizadores, dispositivos de entrada (como ratones y teclados), metrónomos electrónicos, paneles anunciadores y muchos dispositivos electrónicos de consumo. Los timbres también se utilizan en eventos deportivos y programas de juegos. Diferentes tamaños y tipos de timbres se adaptan a diferentes aplicaciones. La forma en que se activa electrónicamente un timbre depende de su tipo, configuración, voltaje de funcionamiento y otras especificaciones.