Copyright
© 2000-2015 LHERBAUDIERE


6 pages à l'impression
version initiale 2002
INFORMATION
dernière mise à jour
22 mars 2013
cliquez sur le mot avertissement ou information ci-dessus pour connaitre une info essentielle avant de lire ce module et n'hésitez pas à cliquer en bas de page sur l'icone sommaire du site ça vous ouvrira d'autres perspectives

CAPTEURS AUDIO et assimilés

(2/2) microphones et sonomètres

caractéristiques des microphones l'essentiel de ce qu'il faut savoir
types de microphones quelques microphones
sonomètre la métrologie du bruit
....
Les microphones sont des transducteurs électroacoustiques transformant l'énergie des ondes acoustiques en énergie électrique. Ils comportent un élément, sensible à l'un des paramètres du champ acoustique, pression ou vitesse, et un transducteur produisant un signal électrique. La qualité essentielle est évidemment la fidélité.

caractéristiques des microphones

Les dimensions du microphone constituent un problème aux fréquences élevées. En effet, les longueurs d'onde des sons audibles (entre 20 et 20000 Hz) varient entre 17m et 17mm.
Si l'onde acoustique rencontre normalement le plan AB de la membrane du microphone, les différents points de celle-ci sont soumis à des forces en phase quelle que soit la longueur d'onde.

Par contre, si l'onde sonore attaque la membrane avec un angle d'incidence , la figure ci-contre montre à l'évidence que la différence de marche entre deux points diamétralement opposés de cette membrane sera Dsina et dans ce cas toutes les longueurs d'onde ne sont pas traitées de la même façon.

Pour les fréquences basses de longueur d'onde de plusieurs mètres il n'y a pas de différence sensible, par contre pour les longueurs d'ondes élevées il y a une différence de phase notable. Ainsi pour sin=1/2 et une longueur d'onde telle que Dsin=/2 les points opposés A et B sont soumis à des forces en opposition de phase qui entraineront évidemment des distorsions maximales.
efficacité intrinsèque

On va ainsi être amené à considérer l'efficacité intrinsèque du microphone, c'est à dire le rapport, à une fréquence donnée, entre la grandeur électrique délivrée et la grandeur du paramètre acoustique (pression).

efficacité extrinsèque

Si la grandeur acoustique est celle de l'onde plane ou sphérique se propageant librement en l'absence de microphone, on caractérisera l'efficacité extrinsèque comme étant le rapport entre la grandeur électrique obtenue et la grandeur acoustique en l'absence du microphone ce qui permet de caractériser cet effet d'obstacle du microphone.


Fig. caractérisation de l'effet d'obstacle apporté par le microphone

courbe de réponse

Comme les rapports qui définissent l'efficacité extrinsèque et intrinsèque varient notablement avec la fréquence on doit tracer la courbe de réponse du microphone donnant cette variation de l'efficacité en fonction de la fréquence.

diagramme directionnel

En outre cette courbe de réponse variant beaucoup avec l'orientation du microphone vis à vis de la direction de propagation des ondes acoustiques et de la géométrie du boitier dans lequel est inclus l'élément sensible, on complète ces caractéristiques par un diagramme directionnel donnant la variation de l'efficacité, pour une fréquence donnée, en fonction de l'angle d'incidence de l'onde acoustique.

.

types de microphones

microphone à pression

L'onde sonore peut agir sur une seule ou les deux faces de la membrane. Dans le premier cas la membrane ferme une cavité rigide, c'est le cas des microphones à pression. La pression qui s'exerce sur la membrane étant indépendante de l'orientation de la membrane, si les dimensions de celle-ci sont évidemment faibles vis à vis de la longueur d'onde, on a des dispositifs pratiquement omnidirectionnels. En pratique ceci est vrai pour les fréquences inférieures à 1000Hz.


Fig. les deux grandes familles de microphones

microphones à gradient de pression

Lorsque la pression s'exerce librement sur les deux faces de la membrane on a en pratique une légère différence de marche entre les deux faces. Si la pression p1 en face avant est du type sinusoïdale telle que p1= p0cost.

Sur la face arrière on aura donc un léger déphasage p2= p0cos(t-t) et la différence des pressions est sensiblement
p1-p2 = p0tsint et comme le retard t est très faible on obtient p1-p2= tdp/dt et la force qui s'exerce sur la membrane est donc proportionnelle à dp/dt d'où l'appellation de microphone à gradient de pression.

microphone électrostatique


Fig. microphone à condensateur

Dans ce cas la membrane constitue l'une des armatures d'un condensateur, l'autre étant fixe. Sous l'effet de la pression acoustique la capacité va donc varier. Au repos on a C0=KS/4e et l'on montre aisément que si la membrane se déplace d'une quantité x celle ci devient C0(1+x/e). Et si x=Xsint on voit que C est de la forme C0+C1sint.

En choisissant dans le circuit associé R très grand vis à vis de 1/C0 on obtient alors dans R un courant i sensiblement égal à (C1V0sint)/C0R.

microphone électrodynamique à bobine mobile

Le principe repose sur la création d'une force électromotrice dans un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. Il comporte un diaphragme solidaire d'une bobine. Sous l'effet des ondes acoustiques l'ensemble se déplace dans le champ radial d'un aimant permanent ayant un pôle central et un pôle annulaire, il en résulte au niveau de la bobine une fem induite proportionnelle à la vitesse de la membrane.


Fig. microphone à bobine mobile

L'équation mécanique du mouvement sous l'effet de la force acoustique sinusoïdale est en choisissant convenablement m (masse de l'ensemble mobile), k (coefficient d'élasticité du système mobile) et f (coefficient de frottement visqueux caractérisant le mouvement de l'air à travers la fente) on peut obtenir que les termes en m et k soient négligeables devant f. Il en résulte alors pour les amplitudes x=F/f et de la vitesse de déplacement v=F/f.

La conséquence est que, si le microphone est "à pression", la force étant alors proportionnelle à pS indépendante de la fréquence, l'appareil sera fidèle si c'est la vitesse de déplacement qui engendre le signal électrique. Par contre, s'il s'agit d'une structure à gradient de pression, la force est proportionnelle à dp/dt soit à p0sin t et il faut alors que ce soit l'amplitude du déplacement qui engendre le phénomène électrique.


Fig. courbe de réponse d'un microphone à bobine mobile

En outre ainsi que le montre le graphique aux extrémités de la plage de fréquence l'approximation qui conduisait à négliger k et m devant f n'est plus valide (quand est faible k/ est grand et quand est élevé c'est m qui n'est plus négligeable) d'où une réponse légèrement relevée sur les bords.

microphone à ruban

Dans ce cas un ruban léger joue à la fois le rôle de diaphragme et celui de bobine mobile. C'est une structure à gradient de pression dans laquelle c'est la vitesse du conducteur mobile qui génère le signal électrique. Ce microphone étant symétrique on constate qu'il est parfaitement bidirectionnel.

.....
Fig. principe du microphone à ruban et sa courbe de directivité

L"expérience montre qu'en associant un microphone à ruban bidirectionnel et un microphone à bobine mobile omnidirectionnel en série on obtient un dispositif sensiblement unidirectionnel.

microphone piézoélectrique

On sait que divers matériaux dits "piézoélectriques" sont susceptible de se polariser électriquement sous l'effet de contraintes mécaniques (et vice et versa). On a imaginé d'utiliser ce phénomène dans des microphones à pression en utilisant des matériaux piézoélectriques ayant un module piézo très élevé (les mêmes matériaux seront d'ailleurs exploités selon le phénomène inverse dans les composants sonores que l'on appelle buzzers).

.

sonomètres

La métrologie du bruit exploite bien évidemment l'emploi d'un microphone associé à un système électronique traduisant le signal global du microphone en intensité acoustique exprimée en décibel (dB). L'instrument s'appelle alors un sonomètre.

Par convention on a fixé comme niveau de référence 0dB celui correspondant à une pression p0 de 2.10-4 µbar considérée comme le seuil d'audibilité conventionnel. On rapporte alors chaque niveau sonore p à ce niveau de référence selon la relation où L, dit niveau sonore absolu, est exprimé en dB


Fig. ex de sonomètre

A titre informatif nous donnons ci-dessous deux diagrammes donnant sensiblement les mêmes informations sous deux présentations différentes. Ces diagrammes sont très instructifs en ce qui concerne les niveaux de bruit.

..
Fig. le champ auditif humain (source le bruit, ministère de l'environnement, 1982)

Enfin le tableau suivant permet de se rendre compte de l'effet cumulatif du bruit sur l'audition. Rappelons que la fatigue auditive se manifeste par une diminution de l'acuité auditive, elle peut être récupérable, mais l'exposition à des bruits élevés durant des périodes variables expose à des pertes auditives permanentes c'est à dire irrécupérables, d'abord dans la zone des 4000 Hz, puis s'étendant progressivement aux fréquences voisines. Rappelons qu'une exposition à >100dB pendant environ 8h conduit généralement à une diminution permanente de l'acuité auditive qui peut atteindre 50dB à 4000Hz.

niveau sonore dB(A) durée correspondant à une exposition équivalente à 8h à 85dB
85 8 h
88 4 h
91 2 h
94 1 h
97 30 mn
100 15 mn
115 28 s
121 7 s
130 < 1 s
139 109 ms
Didier A., physique appliquée à la reproduction des sons et des images, Masson (Paris), 1964.

Frater H et Paulissen D., le grand livre du multimédia PC, Micro Application (Paris), 1993.

Jouhaneau J., notions élémentaires d'acoustique-électroacoustique, Lavoisier (Paris), 1999.

Boye G., Hermann U., Handbuch der Elektroakustik, Hüthig (Heidelberg), 1989.

Rossi M., électroacoustique, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (Lausanne), 1986.

anonyme, le bruit, ministère de l'environnement (Paris), 1982.