Les microphones. Les microphones sont des transducteurs : ils transforment l énergie mécanique véhiculée par une onde sonore, en énergie électrique.

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1 Les microphones L air est un milieu élastique et les variations de pression s y propagent de proche en proche. Sous l action d une perturbation (détonation, claquement de doigts, etc ) les molécules s entrechoquent et créent une onde de pression qui va mettre en mouvement un élément sensible du microphone, sa membrane. Celui-ci est capable aussitôt de générer un signal électrique à partir des vibrations de la membrane. Les microphones sont des transducteurs : ils transforment l énergie mécanique véhiculée par une onde sonore, en énergie électrique. I - Les différents types de microphones I -1 Les microphones électrodynamiques (ou dynamiques) I Principe de fonctionnement Au même titre que les enceintes du même nom, les microphones (ou micros par apocope) électrodynamiques exploitent le phénomène décrit et quantifié par Lenz et qui stipule qu un conducteur en mouvement dans un champ magnétique se voit traversé par un courant dit induit. Voici une vue en coupe du dispositif :

2 Un bobinage solidaire de la membrane se déplace dans l entrefer d un aimant permanent. Le courant électrique ainsi généré est à l origine de la différence de potentiel à ses bornes. Puisque les mouvements de l air à proximité de la membrane sont une succession de pression et de dépression, celle-ci effectue un déplacement de va-et-vient autour d une position d équilibre. Le courant induit change donc de sens, par conséquent le signal de tension généré est alternatif. Le microphone dynamique est un capteur de pression, la pression derrière la membrane, c est-à-dire du côté intérieur du micro est maintenue constante grâce à un petit trou appelé évent. I Caractéristiques En raison des dimensions de la membrane (typiquement 20 à 30mm) et du poids de l ensemble bobine et membrane, un phénomène de résonance ainsi qu une décroissance de niveau apparaît sur la courbe de réponse en fréquence. En étudiant la courbe ci-dessous, on observe un pic de résonance autour de 5 khz et une atténuation rapide à partir de 10 khz. - sensibilité : typiquement entre 60 à -50 dbv/ Pa (voir II- La sensibilité des microphones). - pression acoustique maximale : 180 db SPL environ. utilisation : la qualité sonore de ce type de microphone est donc restreinte, cependant il est très répandu et apprécié pour certaines de ses caractéristiques techniques et sa robustesse. Sa capacité à supporter de fortes pressions sonores et à favoriser les fréquences correspondant à la voix, lui offre une place de choix en spectacle vivant. On l utilise pour sonoriser les batteries et percussions (avec d importantes transitoires) et pour le chant (micro main ou sur pied pour un chanteur mais pas pour un chœur par exemple)

3 I -2 Les microphones électrostatiques (ou statique ou à condensateur) I Principe de fonctionnement A la différence du micro dynamique, le microphone électrostatique ne met pas en jeu un dispositif mobile solidaire d une bobine. La membrane est un disque extrêmement léger fait de métal (Titanium) ou bien de mylar ou de polyester rendu conducteur par un saupoudrage de métal ou une diffusion de vapeur de métal sur sa surface. Cette membrane est flottante et constitue l une des armatures d un condensateur. Les variations de pression provoquée par l onde sonore font varier la distance entre les deux armatures et donc la capacité. Cet effet est exploité dans un circuit électrique de manière à récupérer un signal dont les variations sont à l image de celles de la pression acoustique. Voici un schéma du dispositif: Ce type de microphone a besoin d une alimentation externe pour polariser les deux plaques du condensateur. C est une tension continue de 48 V qui tient ce rôle et le courant généré qui est porté par le câble audio, ne perturbe en rien la transmission et l exploitation du signal audio. C est pour cette raison que l on parle d alimentation «fantôme» à propos de cette tension de 48 V. Le corps du micro renferme un préamplificateur et un transformateur de sortie pour d une part élever le niveau de signal et d autre part abaisser l impédance de sortie du microphone. La qualité de ce dernier composant est pour beaucoup dans les performances du microphone à condensateur

4 I Caractéristiques La membrane est très légère et ses dimensions sont de l ordre de 12 à 25 mm, le phénomène de résonance se situe alors plutôt dans l intervalle khz. Ces micros sont très sensibles, ç est-à-dire susceptibles de délivrer une tension de sortie plus importante que d autres micros pour une pression acoustique égale. - sensibilité: -45 à -30 dbv/ Pa (voir II - La sensibilité des microphones). - pression acoustique maximale: de l ordre de 130 db SPL - utilisation : ces micros sont utilisés pour les prises de son demandant une grande fidélité, en studio notamment. La captation de la voix, des instruments acoustiques, cordes, cuivres et vent y gagne tant la finesse de certains modèles parvient à rendre toutes les nuances de leur timbre. C est dû à la grande sensibilité et la réponse en fréquence plate et étendue dont bénéficient ces micros. Il est en revanche fortement déconseillé de les utiliser pour la captation de percussions (à l exception des cymbales, captées en hauteur pour une prise dite «overhead» par exemple), ainsi que de les employer à l extérieur sans protéger la membrane par un dispositif anti-vent («wind jammer» en anglais). A noter qu il existe également des microphones électrostatiques HF, qui abritent un dispositif de modulation-démodulation. HF désigne la haute fréquence de la tension qui polarise le condensateur (au lieu du 48 V dans les modèles statiques classiques) et non pas l émission HF des micros dits «sans fil». Le signal délivré par la membrane va moduler la fréquence de la porteuse. Les fabricants mettent en avant le faible bruit propre généré par ces micros et la possibilité d égaliser le signal une fois démodulé, ceci permettant de compenser la réponse faible en basse fréquence de ces modèles à petite membrane. En outre, la technologie employée (faible tension de polarisation, faible impédance et transistors bipolaires et non plus FET comme pour les statiques classiques) leur permet de rester opérationnels dans des conditions climatiques difficiles

5 I -3 Les microphones à électret I Principe de fonctionnement Les microphones à électret sont apparus bien après les microphones électrodynamiques et électrostatiques. Le principe reprend celui du microphone statique à ceci près que la tension de polarisation disparaît car la membrane porte une charge électrostatique permanente, c est cet élément que l on appelle électret. Le préamplificateur dans le corps du micro fonctionne avec une pile ou bien utilise l alimentation fantôme. Il est constitué d un transistor FET (Field Effect Transistor) qui assure également l adaptation d impédance pour l acheminement du signal en limitant les pertes. I Caractéristiques Ses avantages sont d une part la possibilité de miniaturisation et un coût relativement modique. De fait, on les rencontre par exemple sous la forme de micro-cravates ou bien intégrés dans des appareils hi-fi mais également comme micro conventionnel. Ses performances ne valent pas celles du microphone électrostatique et les meilleurs modèles parviennent tout juste à égaler celles des micros à condensateur. De plus, certains électrets perdent leur charge dans le temps et deviennent de moins en moins sensibles. Ceci est pricipalement dû à la volonté des fabricants de produire en masse et à moindre coût et tous les efforts ne sont pas orientés vers une amélioration des performances. ATTENTION! La présence de l alimentation fantôme pour les micros à électret ne doit pas amener à les confondre avec les micros à condensateur. micro électret «pastille» le Shure PG81, un micro statique à électret

6 I -4 Les microphones à ruban I Principe de fonctionnement Une fine feuille métallique pliée en accordéon (afin de lui donner une certaine élasticité) se déplace dans l entrefer d un aimant. Au sujet de ce micro, on parle de capteur à gradient de pression car le signal délivré par le micro est proportionnel à la différence de pression entre faces avant et arrière. Une des conséquences est que l utilisateur doit veiller à toujours bien placer le corps du micro perpendiculairement à la source afin que les ondes sonores viennent frapper la face avant du ruban (les micros disposent d un repère à cette fin). I Caractéristiques La qualité sonore de ces microphones est très bonne en dépit des limites du système mécanique représenté par le ruban en suspension et celles qu induit son principe de fonctionnement. On observe en général, une atténuation à partir de 14 khz et une chute de niveau pour les basses fréquences, cette dernière est compensée par une modification adéquate de la fréquence de résonance du ruban

7 La légende indique que cette courbe accepte une tolérance de lecture de + ou 2,5 db et a été obtenue pour une fréquence d 1 khz. D autre part, le niveau indiqué O db correspond à une sortie en tension égale à 1 mv pour une pression acoustique de 94 db SPL. La courbe de réponse en fréquence vue plus haut fait apparaître une augmentation sensible du niveau des fréquences basses lorsque la source sonore s approche à moins d un mètre de la capsule. A cette distance, on ne peut plus considérer que les ondes sont planes mais sphériques. La distance supplémentaire parcourue par l onde sonore pour atteindre la face arrière est suffisamment importante pour faire décroître la pression sur celle-ci (car la puissance acoustique d une onde sonore décroît en 1/r 2, r étant la distance de la capsule à la source). La différence de pression entre face avant et face arrière est donc grande et cela amplifie artificellement des basses fréquences. C est ce que l on appelle l effet de proximité. Les microphones à ruban sont fragiles et globalement peu sensibles: - sensibilité : - 60 à -54 dbv/ Pa - pression acoustique maximale : < 140 db SPL - utilisation : le microphone à ruban est particulièrement adapté pour la prise de sons d instruments acoustiques et d ensembles classiques. Il ne peut pas être employé pour la prise de son d instruments amplifiés, de percussions ou de toute autre source générant de fortes pressions acoustiques. Les prises de son extérieures restent possibles avec certains modèles, toujours avec de grandes précautions et protections. L élévation du signal délivré aux bornes du ruban est assurée par un transformateur qui abaisse également d impédance de sortie du microphone. Là encore, les caractéristiques et la qualité du transformateur sont déterminantes pour les performances du microphone. I -4 Les microphones de contact I Principe de fonctionnement Ce type de micro exploite la propriété qu ont certains corps à se polariser électriquement lorsqu ils sont soumis à une contrainte mécanique. On parle aussi de micros piézo-électriques d après le nom de cette propriété. Ces micros se présentent sous la forme de pastilles que l on pose contre la partie vibrante d un instrument. un micro-contact posé sur une guitare acoustique

8 I -5 Les microphones à zone de pression I Principe de fonctionnement Le microphone à zone de pression comporte une capsule montée et pointée directement sur une plaque d environ 15 cm de diamètre. Cette plaque est destinée à être placée sur de larges surfaces, murs, plafonds, sur scène ou sous le couvercle d un piano par exemple. Il faut noter que malgré son apparence, ce n est pas un microphone de contact : la plaque elle-même ne transmet pas les vibrations de surface. Il faut le voir comme un microphone omnidirectionnel (voir III - La directivité des microphones) pointé vers une surface plane. un microphone PZM

9 I -6 Le microphone à réflecteur parabolique I Principe de fonctionnement Une capsule de microphone est placée sur le foyer et orientée vers le fond d un réflecteur parabolique. Le gain typique est de 15 db mais pour les basses fréquences dont les longueurs d ondes avoisinent le diamètre du réflecteur, ce gain diminue. Ce dispositif permet de capter des sources très éloignées et se trouve souvent employé pour l enregistrement d oiseaux, difficiles à approcher en général ou sur les stades en direction de l action se déroulant sur le terrain. A l inverse du schéma ci-dessus on trouve des montages sur réflecteur où une capsule omnidirectionnelle est orientée vers la source, les sons réfléchis étant captés par l arrière de la capsule (montage adopté pour les manifestations sportives par exemple)

10 II - La sensibilité des microphones II -1 La mesure de la sensibilité Pour mesurer la sensibilité, on utilise communément un signal d 1 khz dont le niveau est porté jusque 74 db SPL ou 94 db SPL (SPL pour Sound Pressure Level, ou niveau de pression acoustique). Un niveau de pression acoustique de 74 db SPL correspond à une pression de 1 µb (micro Bar) et 94 db SPL correspond à une pression de 1 Pa. Puisque 1 Pa = 10 µb, on retrouve logiquement un gain de 20 db car : G = 20 log (P 2 /P 1 ) G représente ici le gain en db obtenu de P 2 par rapport à P 1, deux valeurs de pressions acoustiques respectivement dans un rapport de 10. Les constructeurs précisent la fréquence (généralement 1 khz) et la charge (en Ohms, Ω) utilisée pendant la mesure de la sensibilité (c est la méthode de mesure adoptée par les américains). S il n y a pas de charge, c est une mesure «à vide» et la mention «open circuit voltage» apparaît en regard de la mesure dans la documentation. Il y a deux notations pour exprimer la sensibilité d un microphone. II -1.1 Les unités de mesures de la sensibilité des microphones L une des manières d exprimer la sensibilité d un micro est de l écrire en mv/ Pa ou mv/ µb. Exemple : la sensibilité d un micro valant 1,5 mv/pa signifie que 1,5 mv ont été mesurés aux bornes du micro alors que celui-ci était soumis à une pression acoustique de 94 db SPL. La même tension rapportée à 1 µb s exprimerait: 1,5mV/µB. Cette valeur de tension mesurée pour une pression 10 fois moindre (10µB = 1 Pa) implique donc que le micro est 10 fois plus sensible. L autre manière d exprimer la sensibilité d un microphone fait intervenir des valeurs de tension de référence. La notation européenne a adopté le «dbu», ce qui correspond à une tension de référence égale à 0,775 V, les Américains ont préféré fixer leur référence de tension à 1 V, ce qui donne la notation «dbv». Ceci, rapportée à la mesure de la sensiblité d un micro où la pression acoustique intervient aussi, donne une unité exprimée en dbu/ Pa ou dbv/ Pa

11 Une valeur exprimée en dbu/ Pa ou dbv/ Pa permet donc de retrouver la tension U que le micro délivre lorsqu il est soumis à un signal de 1kHz à une pression de 1 Pa. S mic = 20 log (U/ U réf ) où S mic représente la sensibilité du micro et U réf, la tension de référence. Puisque U réf et S mic sont connus, U est donné par l expression : U = U réf. 10 (S mic/20) I Quelques ordres de grandeurs Les microphones électrostatiques sont les plus sensibles, viennent ensuite les microphones dynamiques et enfin les microphones à ruban qui restent les moins sensibles. Type de microphone électrostatique électrodynamique à ruban Sensibilité 5 à 25 mv/ Pa soit 45 à -30dBV/ Pa 1 à 3 mv/ Pa soit -60 à -50 dbv/ Pa 1 à 2 mv/ Pa soit -60 à -54dBV/ Pa Les grandeurs dans le tableau ci-dessus sont chacunes, communément associées à un type de microphones, certains modéles peuvent néanmoins dépasser ces performances. Des modèles récents de micros statiques, par exemple, sont équipés d une lampe qui remplace le transformateur qui équipe la plupart des micros statiques. La sensibilité de ces modéles peut atteindre 60 mv/ Pa mais de telles performances restent marginales et très coûteuses à l achat

12 III La directivité des microphones III- 1 Définition En dehors de la réponse en fréquence et de la sensibilité, une autre caractéristique des microphones qu il importe de prendre en compte est leur directivité. Lorsque nous avons vu la sensibilité, nous avons noté que la mesure se faisait dans l axe pour 1 khz. Mais les microphones ne sont pas sensibles de la même manière dans toutes les directions. Cela signifie que certains sons parvenant à la capsule du microphone seront plus ou moins atténués en fonction de l angle d incidence mais aussi de la fréquence de ce signal. Il est d usage de représenter les courbes de sensibilité dans un diagramme polaire où la capsule du micro se situe au centre de cercles concentriques représentant chacun un niveau en db. On peut ainsi classer les microphones en fonction de leur directivité dans des «familles» de directivité. II Les omnidirectionnels Les micros omnidirectionnels captent le signal de la même manière dans toutes les directions, c est-à-dire quelle que soit la situation spatiale de la source par rapport à la capsule du micro. Le diagramme polaire des micros capteurs de pression se présente donc ainsi : On note que les hautes fréquences subissent une atténuation non négligeable en dehors de l axe (repéré par le 0 sur le diagramme) d autant plus prononcée que la fréquence augmente. C eci est dû aux diffractions qui interviennent dès lors que les longueurs d ondes incidentes sont proches des dimensions de la capsule

13 La courbe polaire des micros omnidirectionnels pour 1 khz correspond à un diagramme polaire en cercle. C est pourquoi les microphones omnidirectionnels portent un cercle miniature sérigraphié à proximité de la capsule afin de renseigner l utilisateur sur la directivité du micro. II Les bi-directionnels Il s agit des microphones à ruban, qui naturellement présentent un diagramme polaire en forme de «8». Il fait apparaître deux lobes en opposition de phase, centrés sur la capsule de part et d autre des deux faces du ruban. Le diagramme suivant est typique d un capteur à gradient de pression comme le microphone à ruban. On retrouve logiquement une sortie de signal nulle pour une onde incidente à 90 (ou 270 ), c est-à-dire parallèlle au plan du ruban. Ce type de microphone est employé conjointement avec un microphone cardioïde pour la prise de son dite «MS». Les capsules bi-directionnelles portent une sérigraphie représentant le signe

14 II Les cardioïdes Mathématiquement, la réponse omnidirectionnelle est représentée par 1 (même niveau quelque soit θ, l angle d incidence de l onde sonore) et la réponse bi-directionnelle par cos θ. La réponse cardioïde correspond théoriquement à 1 + cos θ. Il en résulte que le diagramme polaire des microphones cardioïdes a une forme de cœur d où l appellation cardioïde. Le diagramme polaire présente cette allure : La courbe au trait plein sur la partie gauche du diagramme correspond aux mesures réalisées pour 1 khz, ce qui correspond aussi au modèle théorique. On relève que les tracés s écartent beaucoup de la courbe cardioïde théorique lorsque la fréquence augmente. Ce sont des labyrinthes acoustiques situés derrière la membrane qui réalisent l addition des réponses omnidirectionnelles et bi-directionnelles et il est très difficile de l obtenir simultanément pour toutes les fréquences. C est ce que

15 II Les hypercardioïdes Mathématiquement, le diagramme polaire est représenté par ½ + cosθ, c est la combinaison d une réponse omnidirectionnelle atténuée de 6 db et d une réponse bi-directionnelle. Comme pour la réponse cardioïde, la réponse hypercardioïde est obtenue à l aide labyrinthes acoustiques disposés au niveau de la face arrière de la membrane. Le comportement des microphones hypercardioïdes à l usage se rapproche beaucoup de la réponse théorique. C est aussi le microphone qui a la directivité la plus prononcée vers l avant : le rapport de niveau sonore entre le signal capté dans l axe et en dehors est très grand, ce qui permet d éliminer les sons environants une source sonore vers laquelle pointe le micro. Une plus grande sélectivité peut être obtenue grâce à l adjonction d un tube à interférence. Une capsule cardioïde est disposée au bout d un tube ajouré qui constitue une fine grille sur toute sa longueur. Les retards et déphasages générés par la grille de ce tube provoquent l annulation de certaines fréquences ce qui contribue à fortement atténuer le son. On parle alors de canon à interférences et le microphone prend alors le nom de microphone canon

16 II Les directivités multiples Certains microphones proposent de multiples directivités. - 1) Ce peut être obtenu en adaptant plusieurs capsules sur un même corps de microphone. Celles-ci se dévissent et ont chacune une directivité bien précise. L utilisateur change selon sa convenance. - 2) Le micro dispose d une seule capsule (et membrane) et des labyrinthes acoustiques modulables mécaniquement changent la directivité. Il n est pas possible d obtenir de directivité intermédiaire. - 3) Deux capteurs sont associés et mis en opposition de phase. La combinaison des deux réponses permet d obtenir des directivités intermédiaires. Certains microphones à condensateur combinent deux capsules de directivité cardioïdes en opposition de phase (montées dos à dos) et la somme électrique des signaux reconstitue une réponse bi-directionnelle

17 IV - l impédance des microphones L impédance est la grandeur qui remplace la résistance lorsque l on aborde des circuits où des tensions alternatives entrent en jeu. L expression de cette grandeur (en Ohm, Ω) fait intervenir la fréquence des signaux qui traversent les conducteurs. Cette propriété est à l origine de phénomènes d atténuation et de pertes qu il faut éviter lorsqu on cherche à transmettre des signaux audio notamment. C est pourquoi l impédance de sortie des microphones est rabaissée à 200 Ω (quelquefois moins) de manière à permettre l utilisation de longs câbles (jusque plusieurs centaines de mètres) et pas ou peu d atténuation des hautes fréquences. En corrélation, l impédance d entrée des appareils sur lesquels se branchent les microphones est de l ordre de 2kΩ, soit 10 fois plus (voie d entrée de consoles par exemple). Il faut veiller à respecter cet ordre de grandeur entre impédances de sortie et impédances d entrée afin d assurer le fonctionnement nominal des appareils ainsi raccordés. V - Synthèse Il n existe pas de microphone à tout faire. La source sonore, les conditions et la finalité de la prise de son vont déterminer le choix de tel ou tel type de microphone. Il s agit de bien étudier les caractéristiques des microphones afin d anticiper leur comportement dans l environnement où s effectue la prise de son. On l a vu dans l étude qui leur est consacrée, les critères déterminants vont être la réponse en fréquence, la sensibilité et la directivité. Le prix peut fluctuer énormément en fonction des performances annoncées et de la gamme à laquelle le microphone appartient. Cet aspect doit être considéré au même titre que l utilisation que l acquéreur compte faire d un microphone avant de réaliser l achat

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