Microphone, enceintes acoustiques, casque audio - Maxicours

Microphone, enceintes acoustiques, casque audio

Objectifs
Présenter le fonctionnement et les caractéristiques de capteurs et émetteurs acoustiques courants. Pour cela, décrire les phénomènes physiques utilisés. Introduire la notion de directivité et de bande passante.


Le son est une onde mécanique résultant de la compression/ dilatation de l’air. Par exemple en musique, il est important de pouvoir convertir un signal sonore en signal électrique, pour l’enregistrer, éventuellement le traiter, le stocker. Après, il faut savoir convertir ce signal électrique en onde acoustique, le plus fidèlement possible au son original. Les convertisseurs assurant ces opérations sont désignés sous le terme de transducteurs électroacoustiques, où une transduction désigne la conversion d’une grandeur physique en une autre.
1. Le microphone
Quand une bobine est déplacée au voisinage d’un aimant (ou le contraire), une tension électrique apparaît à ses bornes. C’est le phénomène d’induction magnétique.


Ce phénomène est utilisé par le microphone électrodynamique, dont la finalité est de convertir un son en un signal électrique. Dans ce type de microphone, l’onde acoustique passant à travers la grille vient mettre une membrane en vibration. Cette membrane est solidaire d’une bobine. Comme celle-ci est placée au voisinage d’aimants permanents, son déplacement va générer une tension électrique à ses bornes. Ainsi, le signal électrique produit est l’image de l’onde acoustique reçue.

Principe d’un microphone électrodynamique
La partie mobile (membrane + bobine) est représentée en rouge

Le microphone électrodynamique est très courant, mais il existe des variantes ou d’autres types basés sur d’autres phénomènes physiques, comme le microphone piézoélectrique.
La piézoélectricité est l’apparition d’une tension électrique aux extrémités d’un cristal piézoélectrique subissant une contrainte mécanique, comme l’action d’une onde acoustique.
La réciproque est vraie : appliquer une tension électrique au cristal cause sa déformation. Le phénomène est évoqué dans les fiches "Visualiser expérimentalement des atomes et des molécules" et "Application des ondes acoustiques : le sonar et l’échographie".
2. Le haut parleur
Une bobine est placée au voisinage d’un champ magnétique produit par un aimant permanent. Quand une tension électrique est appliquée aux bornes sur la bobine, celle-ci génère son propre champ magnétique, qui va faire que la bobine va être attirée ou repoussée par l’aimant, selon le signe de la tension appliquée. La force résultant de cette interaction, et responsable du mouvement, est nommée force de Laplace.

Sur ce schéma, les parties mobiles sont représentées en rouge

Grâce à cette force, un haut parleur électrodynamique convertit un signal électrique en un signal acoustique. Dans un haut-parleur, une bobine est placée au voisinage d’aimants. Quand on lui envoie le signal électrique, la bobine va se déplacer selon l’axe du noyau (axe gauche/ droite sur le schéma). La bobine est liée à une membrane, qui va transmettre la vibration à l’air environnant, c'est-à-dire produire une onde acoustique.
a. Les enceintes acoustiques
Deux ondes sont émises par un haut parleur : une vers l’avant (vers la droite sur le schéma), et une autre vers l’arrière. Cette dernière est susceptible d’interférer avec l’onde émise vers l’avant (qui est celle recherchée). Par éviter cela, par exemple avec les chaines Hi-Fi de salon, le haut-parleur est inséré dans une caisse, souvent en bois, nommée enceinte acoustique.

Pour une même enceinte acoustique, il est fréquent de trouver plusieurs haut-parleurs, chacun traitant une certaine gamme de fréquence. Ils sont habituellement au nombre de trois et sont désignés selon leur dénomination anglaise :

• Le Boomer ou Woofer reproduit les fréquences les plus graves, entre 20 Hz (fréquence la plus basse audible) et 500 Hz. Le Boomer est le haut parleur le plus gros des trois. Il a donc une membrane de grande superficie.

• Le Medium est concerné par les fréquences intermédiaires, entre 500 Hz et 5000 Hz pour un Medium courant.

• Le Tweeter travaille dans les fréquences les plus aigües, de 2000 Hz à 20 000 Hz (fréquence maximale audible). Le Tweeter est le plus petit haut-parleur des trois.

Comme pour le microphone, il existe d’autres types de haut-parleurs que le modèle électrodynamique. Ainsi, les cristaux piézoélectriques sont aussi utilisables pour produire des ondes acoustiques, notamment pour le Tweeter, ou même pour générer des ultrasons.
b. Le casque audio
La finalité d’un casque audio est d’émettre un son qui ne sera entendu théoriquement que par la personne portant le casque. Un casque audio standard n’est composé que d’un seul haut-parleur par oreille. Ainsi, chaque haut-parleur doit traiter toute la gamme de fréquences.

Dans certaines applications, le casque assure une certaine isolation phonique par rapport aux bruits environnants, afin que la personne puisse mieux entendre les sons qu’il émet. C’est le cas pour les opérateurs sonar des sous marins par exemple. Le casque est alors enveloppant au niveau des oreilles.

D’autres applications recherchent au contraire un dispositif moins encombrant et plus discret. Cela concerne par exemple les écouteurs de lecteurs MP3. Dans ce cadre là, l’arceau central constituant le casque à disparu, au profit d’oreillettes pouvant être glissées dans l’oreille ou maintenues par un système de clip. Lorsqu’une écoute stéréophonique n’est pas requise, un seul écouteur peut être employé : standardiste, oreillette d’animateur de télévision...
3. Fidélité d'un transducteur électroacoustique
Quelle que soit la technologie employée, l’oreille est le récepteur acoustique arrivant en bout de chaîne. Il faut donc prendre en compte son fonctionnement ( fiche "Voix, acoustique physiologique" et "Isolation phonique" ).

Sa perception étant logarithmique, cela justifie l’introduction du niveau d'intensité sonore L, en décibel (dB), associé à l’intensité acoustique I d’un son, en , selon la relation . Le terme est l’intensité acoustique de référence, et vaut (seuil d'audibilité).

En électronique/ électricité, le décibel est également employé, afin de comparer des puissances (électriques, acoustiques ...) pouvant varier selon plusieurs ordres de grandeur.

On définit le gain G entre deux puissances et comme : ou avec , la puissance "de référence", définissant une origine de l’échelle des décibels.

Un gain de 0 dB signifie que la puissance P du signal est égale à la puissance de référence
. Un gain de -5 dB veut dire que la puissance du signal est atténuée de 5 dB, et vaut de la valeur de référence.

Pour évaluer les performances des capteurs ou émetteurs acoustiques, des tests sont pratiqués en chambre anéchoïque acoustique ( voir fiche "Réverbération acoustique: auditorium, salle sourde").

Certains critères sont étudiés comme :

• La bande passante. Toutes les fréquences ne sont pas traitées avec la même efficacité par un capteur/ émetteur acoustique. La courbe de réponse d’un microphone est un graphe semi-logarithmique faisant apparaître le gain fonction de la fréquence. Pour cet appareil, il est courant de choisir le gain à 1000 Hz comme gain de référence (0 dB) :


Pour un haut parleur, on utilise souvent le niveau d’intensité sonore à la place du gain, mais le principe reste le même (axe vertical en dB).

La courbe définit un domaine en fréquence où les valeurs en dB sont est assez fortes pour être significatives. C’est la bande passante, qui indique quelles fréquences sont utilisables par le transducteur. Les valeurs données au 2.a correspondent aux bornes inférieures et supérieures des bandes passantes des trois types de haut-parleurs.

• La directivité. Pour une fréquence donnée, un microphone ne présente pas forcément la même efficacité si le son perçu est capté avec un certain angle par rapport à son axe. De même avec un haut parleur, le son émis n’a pas toujours la même puissance selon toutes les directions de l’espace. On dit alors qu’ils sont directifs. Cette notion s’étudie avec un diagramme de directivité, faisant apparaître le gain fonction de l’angle selon lequel le son est capté/ émis.


Le gain de référence (0 dB) est celui pour un angle de 0° (selon l’axe du microphone/ haut-parleur). Les graphes ci-dessus présentent des situations fréquemment rencontrées pour des microphones. Par définition, un transducteur omnidirectionnel capte/ émet de la même manière selon toutes les directions.

La directivité est liée à la fréquence. Les diagrammes de directivité professionnels font apparaître plusieurs courbes sur un même graphe, chacune correspondant à une fréquence.
L'essentiel
On désigne sous le terme de transducteurs électroacoustiques les appareils comme les microphones et haut-parleurs.

Le microphone électrodynamique convertit les ondes acoustiques en signaux électriques, via l’utilisation du phénomène d’induction magnétique.

Le haut parleur électrodynamique assure quant à lui la conversion inverse, par utilisation de la force de Laplace. Les enceintes acoustiques et les casques audio sont deux exemples d’utilisation de haut-parleurs.

Pour évaluer les performances d’un microphone ou d’un haut-parleur, on prend en compte de :
• sa bande passante, par sa courbe de réponse.
• sa directivité, par son diagramme de directivité.

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