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 : 04 91 16 41 75 Philippe Herzog Mail : herzog@lma.cnrs-mrs.fr - Tel : 04 91 16 40 89 Jacques Chatron Mail : chatron@lma.cnrs-mrs.fr - Tel : 04 91 16 41 74 Perception et prise de son 2009-1
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 2009-2
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 2009-3
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 2009-4
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. 1960 : Mètre = 1 650 763,73 λ (raie de l atome krypton 86) 1983 : Mètre = distance lumière en 1/299 792 458 s Convergence des unités commerciales et scientifiques Perception et prise de son 2009-5
Etalons de mesure Unité de mesure étalons stables et partagés Evolution étalons "dématérialisés" Perception et prise de son 2009-6
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 2009-7
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 2009-8
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 2009-9
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 2009-10
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 2009-11
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 2009-12
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 2009-13
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 2009-14
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 2009-15
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 2009-16
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 2009-17
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 2009-18
Réalisation pratique Grille de protection (participe à la réponse, cf insertion / source étalon) Perception et prise de son 2009-19
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 2009-20
Effet de Charge Types de microphones réglage de membrane selon angles d incidence Perception et prise de son 2009-21
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 2009-22
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 2009-23
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 2009-24
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 2009-25
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 2009-26
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 2009-27
Où est le "centre acoustique"? Invalide (en toute rigueur) le concept de capteur "ponctuel"! Perception et prise de son 2009-28
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 2009-29
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 2009-30
Autres microphones Compromis adaptés à des usages spécifiques - étalonnage??? Perception et prise de son 2009-31
A suivre... Questions? Perception et prise de son 2009-32