Perception et prise de son

Transcription

1 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Master 2 e année - Acoustique Perception et prise de son Sabine Meunier Mail : meunier@lma.cnrs-mrs.fr - Tel : Philippe Herzog Mail : herzog@lma.cnrs-mrs.fr - Tel : Jacques Chatron Mail : chatron@lma.cnrs-mrs.fr - Tel : Perception et prise de son

2 Master 2 e année - Acoustique Perception et prise de son C1 : C2 : C3 : C4 : C5 : C6 : Physiologie de l audition Propriétés des microphones de mesure Perception du niveau (sonie/masquage) Perception de la hauteur et de l espace Principes de prise de son Perception et mesure physique Perception et prise de son

3 Mesure : le poids de l histoire Problèmes d échanges : - Rome antique : 24 scrupules 1 once - Once romaine 1 12 livre - Once de Paris 1 16 livre Contrôle de la monnaie : - Fabrication de "dénéraux" = poids monétaires - Comparaison des masses par "trébuchets" Commerce "deniers sonnants et trébuchants" Perception et prise de son

4 Cohérence des unités Moyen-âge : Pas de lien entre mesures de volume, longueur, etc Fraudes lors des transactions commerciales Préjudice au développement des sciences Evolutions successives : 1795 : plus de sept cents unités de mesure "système métrique décimal" (18 germinal an III) 1799 : premiers étalons du mètre et du kilogramme (1 l. d eau) 1837 : adoption exclusive du système métrique décimal 1875 : Bureau international des poids et mesures (B.I.P.M.) 1960 : Système international d unités (m, kg, s, A, K, mol, cd) 1969 : CODATA : Committee on Data for Science and Technology Unités de base du SI constantes fondamentales et atomiques Perception et prise de son

5 Affinage des unités Moyen-âge : Longueurs mesurées en référence à l humain pouce, pied, main, toise, yard, cubit,... Humain "de référence" = Roi (ou seigneur local!) Evolutions successives : XVIII e : toise = 6 pieds du roi 1668 : Mesure "universelle" = 38 pouces de Prusse (993,7 mm) 1675 : Metro cattolico = longueur d un pendule / 2s (993,9 mm) 1791 : Mètre = dix millionième partie du quart du méridien terrestre : Mètre = ,73 λ (raie de l atome krypton 86) 1983 : Mètre = distance lumière en 1/ s Convergence des unités commerciales et scientifiques Perception et prise de son

6 Etalons de mesure Unité de mesure étalons stables et partagés Evolution étalons "dématérialisés" Perception et prise de son

7 Science de la mesure Métrologie : Science des mesurages et ses applications Tous les aspects théoriques et pratiques Toute incertitude de mesure / application Mesurage : Processus expérimental valeur grandeur Comparaison de grandeurs (y.c. comptage) Description de la grandeur compatible avec l usage prévu Procédure de mesure rigoureuse, pré-établie Système de mesure étalonné (traçabilité) Déroulement + conditions de mesure Mesure { Valeur + Unité + Incertitude + Probabilité } Perception et prise de son

8 Traçabilité de la mesure Gestion de qualité (ISO 9000) : Certification des matériels (étalonnage) Certification des personnels (accréditation) Procédures hiérarchiques (raccordement) Raccordement aux étalons : Références primaires internationales (CIPM) Références secondaires (pour étalonnages)... Etalons "de référence" Etalons "de travail" Instrumentation de production Comparaisons successives incertitude croissante Perception et prise de son

9 Approches de la mesure Métrologie légale : Normes nationales / internationales (harmonisation) Protocoles pré-établis, simples et éprouvés Comités de normalisation "pragmatiques" Valeurs comparables entre elles Métrologie scientifique : Initiatives de chercheurs / laboratoires Protocoles évolutifs (outils, connaissances) Validation partielle (dans un contexte) Soumise à "l évaluation par les pairs" Estimations performantes mais incertaines Lien via les laboratoires lié à la CIPM! Perception et prise de son

10 Mesures en Acoustique χ s t p+ v = 0 ρ 0 t v + p = 0 ρ, T,... inobservables Paramètres d influence : Composition de l air (humidité) Pression ambiante (masse volumique) Température (célérité) - très influente! Problèmes pratiques : Gaz pas de confinement "naturel" Nombreuses sources acoustiques "parasite" Conditions aux limites très influentes Distance d influence élevées (cf λ) Séparation Installations lourdes et contrôle d environnement Perception et prise de son

11 Mesures en Acoustique (2) Ordre de grandeurs audibles : Pression Vitesse Déplacement à 20 Hz à 1 khz à 20 khz 20 Pa 50 mm/s 0,4 mm 8 µm 0,4µm 20 mpa 50 µm/s 0,4 µm 8 nm 0,4nm 20 µpa 50 nm/s 0,4 nm [8 pm] [0,4pm] Forces très faibles (air très compressible) Déplacements à l échelle moléculaire! Puissances mises en jeu infinitésimales Observation "directe" ssi forts niveaux (LDV,PIV) Perception et prise de son

12 Membrane d un capteur acoustique Intermédiaire mécanique : Surface importante amplification Souple (peu tendue) pour augmenter la sensibilité Lien avec transduction électro-mécanique Pénalisation des performances : Diffraction croissante avec la taille Résonance(s) propre(s) filtrage Amplitude limitée : compromis dynamique Deux faces : Sensible à l écart de pression AV/AR ( p) Charge arrière pour élargir la directivité Compromis entre différentes performances Perception et prise de son

13 Choix du principe de transduction Principalement trois technologies "en lice" (réciproques) Réponse en fréquence : Quasi-statique bande < f r Piézoélectrique difficile à amortir (raideur) Magnéto-XXX bande autour de f r Niveaux sonores : Magnéto-XXX capable d une grande gamme dynamique Piézoélectrique niveaux élevés Electrostatique niveau élevé et bruit de fond Sensibilité : Piézoélectrique très sensible Magnéto-XXX sensible (souple) mais Z e basse Electrostatique compromis "sensibilité/résonance" Perception et prise de son

14 Microphone de mesure Précision de la réponse : Electrostatique réponse très régulière Piézoélectrique résonance peu amortie Stabilité des caractéristiques : Piézoélectrique "purement solide" (plaque+céramique) Electrostatique fragile, limité en température Volume équivalent (cf étalonnage) : Piézoélectrique très raide Electrostatique modélisable Sensibilités parasites : Electrostatique peu influençable (γ, E,...) Piézoélectrique sensible aux vibrations Mesures de précision technologie électrostatique Perception et prise de son

15 Transduction électrostatique 0 d 0 x E i U Condensateur : - électrode en translation (!) - Capacité C = Sε 0 /d 0 - E supposé uniforme Polarisation : - Charge Q 0 constante (electret = "piégées") - Energie potentiellee p = Q 0 U 0 /2 Attraction statique : - ForceF 0 = C 0 U 2 0 2d 0 - Déflection de la membrane limite mécanique Perception et prise de son

16 Transduction électrostatique (2) Petites variationsd = d 0 + x ouq = Q 0 + q : Effet "direct" : - Circuit ouvert : Q = C te - Variation de tension avec le déplacement - U = Q 0 C 0 (1 x d 0 ) Effet "inverse" : - Electrode fixe : d = C te - Variation de force avec la charge - F Q2 0 2C 0 d 0 (1+ 2q Q 0 ) Mécanisme non-linéaire (quadratique) dynamique limitée Perception et prise de son

17 Matrice de couplage f v = 0 +E 0 jω jω E 0 0 u i Couplage "réciproque" : - Description limitée au couplage électro-mécanique - Coefficient E 0 = Q 0 C 0 d 0 [V/m] en moyenne sur S - Transducteur indifféremment source ou capteur - Essentiel pour permettre l étalonnage primaire Comportement du transducteur dépendant de ses charges (aco+elec) Perception et prise de son

18 Schéma de principe xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx xxx db f L f H Q H +1-2 log(f) Limites de réponse : - Egalisation (tube capillaire) f L - Tension membrane (réglage) f H - Entrefer + perforations électrode Q H Caractéristiques interdépendantes : réglage réponse mesure sensibilité Perception et prise de son

19 Réalisation pratique Grille de protection (participe à la réponse, cf insertion / source étalon) Perception et prise de son

20 Conditionnement xxxxxxxx xxxxxxxx 1 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Suiveur de tension : A 1 - Impédance d entrée "gigantesque" ( 10GΩ) - Impédance de sortie très faible ( 50Ω) - Anneau de garde : réduction des capacités parasites Très grande amplification de la puissance du signal (+ bruit) Perception et prise de son

21 Effet de Charge Types de microphones réglage de membrane selon angles d incidence Perception et prise de son

22 Etalonnage initial Comparaison de trois paires (trois micros) : - Couplage acoustique par cavité close, ou "champ libre" - Mesure transferts "courant tension" (tension insérée) - Estimation de 3 produits S i S j {S i } Etalon implicite : charge acoustique de couplage (modèle physique, réalisation) Perception et prise de son

23 Comparaison à "l étalon de référence" Etalonnage difficile à réaliser en interne : - Protocole long et complexe, équipement coûteux - Différences de géométrie, etc : nombreux coupleurs - Lourdeur de la certification (longue expérience) Sous-traitance à un partenaire accrédité (rotation des "étalons de travail") Perception et prise de son

24 Comparaison à "l étalon de travail" Comparaison de caractéristiques : - Volume "isobare" (étanchéité critique) - Vérification systématique d un parc - Etalonnage pour mesures comparatives - Sondes à deux micros, antennes Gamme de fréquences réduite, incertitude absolue élevée Perception et prise de son

25 Vérification périodique des microphones Gestion d un parc de microphones : - Vérification de l état mécanique - Vérification de la sensibilité (250 Hz) - Vérification de la réponse en fréquence - Vérification du bruit de fond Perception et prise de son

26 Vérification des microphones "in situ" Validation d une série de mesures : - Vérification préalable - Vérification finale - Estimation sensibilité (1kHz) Ne correspond pas à un étalonnage (garder les données "usine") Perception et prise de son

27 Mise en oeuvre pratique Isoler un phénomène : - Environnement "anéchoïque" - Fixations "antivibratiles" - Contrôle d environnement - Connaissance positions relatives Mise au point itérative thésauriser un savoir-faire Perception et prise de son

28 Où est le "centre acoustique"? Invalide (en toute rigueur) le concept de capteur "ponctuel"! Perception et prise de son

29 Sonde intensimétrique Approximation par différences finies : - Pression au centre moyenne - Vitesse au centre différence - Produit = intensité "locale" (cf λ) - Compromis / écartement (fréquence + type de champ) Etalonnage très critique (microphones individuels + en relatif) Perception et prise de son

30 Microphones CCLD xxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xx xxxxxxx xxxxxxxxx xxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxx xx xxxxxxxxxxxxx xxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxx xxxx xxxxxxxx xxxxx x xxxx x x xxxx x xxxx K xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxxxx (coax) +V 0 Câblage extrêmement simplifié : + Signal beaucoup plus puissant (cf longueurs) + TEDS : "fiche d étalonnage" électronique - Pas normalisé (ICP R, IEPE R, CCLD, etc) - Performances dégradées aux B.F. et en transitoires - Câblage traditionnellement "asymétrique" (PB masses) Pratique, mais encore évolutif incompatibilités Perception et prise de son

31 Autres microphones Compromis adaptés à des usages spécifiques - étalonnage??? Perception et prise de son

32 A suivre... Questions? Perception et prise de son