Mots-clefs : Microphone ; enceintes acoustiques. Microphone et haut parleur Contexte du sujet : Un microphone convertit les ondes sonores en signaux électriques. Un haut-parleur réalise l opération inverse, il émet des sons à partir des signaux électriques qu il reçoit. Quels sont les points communs entre un microphone et un haut parleur électrodynamiques? PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES Document 1 : Principe du microphone électrodynamique Un microphone électrodynamique est constitué de deux éléments principaux : une bobine (formée à partir d un enroulement d un fil conducteur) et un aimant. La bobine est mobile, elle est placée dans le champ magnétique crée par l aimant qui lui est fixe. Une membrane souple, solidaire de la bobine capte les vibrations de l air engendrées par une onde sonore. Les déplacements de la bobine, provoqués par ceux de la membrane, dans le champ magnétique de l aimant créent une tension électrique U aux bornes de la bobine. C est le phénomène d induction électromagnétique. La fréquence de la tension électrique obtenue est égale à celle des vibrations de l air, donc à celle du son correspondant à ces vibrations. L amplitude de cette tension est d autant plus grande que le niveau d intensité sonore est grand. Document 2 : Caractéristiques techniques d un microphone Les caractéristiques d un microphone sont indiquées sur la fiche technique du constructeur. La bande passante est le domaine de fréquences qu il capte convenablement. Elle se déduit de la courbe de réponse du microphone. Cette courbe est la représentation graphique du niveau de sortie, exprimé en db, en fonction de la fréquence du son qu il capte. Par convention, on affecte le niveau 0 db à la valeur obtenue pour 1000 Hz. La sensibilité est son aptitude à fournir une tension élevée pour des sons de faible niveau d intensité sonore. Un microphone de grande sensibilité captera bien les sons peu intenses, mais sera sensible aux parasites sonores. La directivité est une caractéristique essentielle du microphone, elle caractérise son aptitude à réagir en fonction de la provenance du son, selon son axe central. Un micro omnidirectionnel capte les sons provenant de toutes les directions ; un microphone directif capte les sons provenant d une seule direction. Courbe de réponse dans le domaine des sons audibles L axe du microphone est l axe défini par l angle θ = 0, la membrane pointant vers la graduation 0. On déplace la source sonore le long d un cercle centré sur le microphone. Microphone et haut-parleur Page 1 / 5 C. Grange-Reynas
Chaque position de la source est repérée par l angle θ. On compare la réponse du microphone pour une position θ à celle obtenue lorsque la position de la source est repérée par θ = 0. Cela permet de calculer un niveau de réponse, exprimé en db. Une valeur négative traduit un microphone qui capte moins bien les sons dans la direction q que dans la direction de référence (0 ). Par exemple le Shure SM58 n est pas omnidirectionnel pour des sons de fréquences 125, 2000 ou 8000 Hz. Cependant, il capte mieux les sons de 125 Hz en arrière de lui (de 150 à 180 ) que les sons de 2000 Hz. Réponse en fonction de la direction pour trois fréquences Animation : Fonctionnement d un microphone : http://tpe.57.free.fr/micro.swf Document 3 : Principe du haut-parleur électrodynamique «Le haut-parleur le plus largement utilisé (à 99%) est le haut-parleur électrodynamique. Sa fonction dans une enceinte est d agir comme un double transformateur d énergie : Premièrement il reçoit le signal audio, qui est une énergie électrique, qu il va transformer en une énergie mécanique. En effet, certaines parties du haut-parleur (la bobine mobile) vont se mettre en mouvement lorsqu un signal audio est reçu. Deuxièmement il transforme cette énergie mécanique en une énergie acoustique, grâce à sa membrane. Celle-ci est reliée à la bobine mobile, et aura donc les mêmes mouvements que cette dernière. Et c est en se déplaçant sous l action de la bobine mobile que la membrane créera une pression acoustique, le son.» Un haut-parleur électrodynamique comporte deux éléments essentiels : une bobine mobile et un aimant fixe. La bobine est placée dans le champ magnétique créé par l aimant. Lorsque la bobine est traversée par un courant électrique elle est soumise à une force de Laplace qui la déplace horizontalement dans un sens. Quand le courant change de sens, la force de Laplace s inverse et la bobine se déplace dans l autre sens. Les déplacements de la bobine sont transmis à la membrane du haut-parleur qui, à son tour, fait vibrer l air qui l entoure pour produire un son qui se propage dans l air. La force de Laplace Un matériau conducteur, parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique, est soumis à une force électromagnétique appelée force de Laplace (Pierre-Simon de Laplace, 1749-1827, mathématicien, astronome et physicien français). Réaliser l expérience du doc.1 et observer. changer le sens de circulation du courant électrique. changer le sens du champ magnétique créé par l aimant. Microphone et haut-parleur Page 2 / 5 C. Grange-Reynas
Vidéo de l expérience : http://www.youtube.com/watch?v=k9ks_dnpafq&feature=youtu.be 1. Schématiser l expérience permettant de mettre en évidence la force de Laplace. 2. De quels paramètres dépend le sens de la force de Laplace? Répondre à cette question en utilisant des observations expérimentales. 3. Remplacer le générateur de tension continue par un GBF (générateur de tension alternative). Qu observe-ton? Autre expérience mettant en évidence la force de Laplace : http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1s/force_de_laplace _rail_regle_trois_doigts_main_droite.htm On emploie la main droite : le pouce = poussée ; index = intensité ; majeur = magnétisme Document 4 : Caractéristiques techniques d un haut-parleur Les caractéristiques d un haut-parleur sont indiquées sur la fiche technique du constructeur. La bande passante d un haut-parleur est le domaine de fréquences des sons qu il est capable de restituer. La bande passante se déduit de la courbe de réponse du haut parleur. Cette courbe est la représentation graphique du niveau d intensité sonore obtenu, exprimé en db, en fonction de la fréquence de la tension qui l alimente, exprimée en Hz. Un boomer (ou woofer) (1) est un haut-parleur dont la bande passante est située dans les basses fréquences. Il restitue Bande passante de trois haut-parleurs essentiellement les sons graves. Un médium (2) restitue les sons de fréquences moyennes. Un tweeter (3) restitue les sons aigus. La couverture angulaire d un haut parleur est son aptitude à diffuser des sons dans le plan horizontal et dans le plan vertical. La puissance admissible d un haut-parleur est la puissance électrique maximale qu il peut supporter sans dégâts. Au-delà de cette valeur, le haut-parleur sera endommagé. Le rendement d un haut-parleur mesure sa faculté à transformer la puissance électrique reçue en puissance mécanique. Vocabulaire Transducteurs : Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre. Microphone et haut-parleur Page 3 / 5 C. Grange-Reynas
A partir des différents documents, répondre aux questions : 4. En argumentant, comparer la directivité du microphone (doc. 2) pour diverses fréquences. 5. Pourquoi le choix d un microphone est-il notamment guidé par sa bande passante? 6. Les graphes ci-contre sont les courbes de réponse en fréquence de trois haut-parleurs. Les haut-parleurs de référence DE35, 8PE21 et 12PS100 sontils des boomers, des médiums ou des tweeters? 7. Comparer les rôles d un microphone et d un haut-parleur à ceux de l appareil vocal et de l oreille humaine. 8. Résumer le principe de fonctionnement d un microphone et d un haut-parleur électrodynamiques en précisant les éléments constitutifs communs. Identifier les transferts d énergie qui ont lieu. Bande passante de trois haut-parleurs Résumé : http://lyc-moulin-st-amand.tice.ac-orleans-tours.fr/eva//sites/lyc-moulin-stamand/img/userfiles/flash/phy/hp-mic.swf Microphone et haut-parleur Page 4 / 5 C. Grange-Reynas
PARTIE B : RESOLUTION DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES On considère un haut-parleur émettant une onde sonore qui se propage librement. Le niveau d intensité sonore mesuré à 1 m du haut-parleur, sur son axe principal, est L1 = 110 db. Le diagramme d émission du haut-parleur est reproduit ci-contre. On le suppose utilisable pour toutes les fréquences audibles. En un lieu donné, le niveau d intensité sonore du son émis par le haut-parleur dépend de la distance entre ce lieu et le haut-parleur mais aussi de la direction sous laquelle ce lieu est vu depuis le haut-parleur. Cette direction est repérée par un angle exprimé en degré. Pour une distance donnée, ce diagramme permet de connaître la perte relative du niveau d intensité sonore en fonction de l angle par rapport à l axe principal du haut-parleur. Le niveau d intensité sonore mesuré sur l axe principal (θ = 0 ) constitue la valeur de référence (perte nulle). Données : - Niveau d intensité sonore : L = 10.log I en db. I0 - Intensité sonore de référence : I 0 = 1,0 x10-12 W.m -2. - L intensité sonore I à une distance d d une source émettant dans toutes les directions est liée à la puissance sonore P de cette source par la relation : I = P / S avec S, la surface de la sphère sonore de rayon d telle que S = 4П.d 2. - Si x = log(a) alors a = 10 x ; log(a x b) = log(a) + log(b) Problème 1: Quel est le niveau d intensité sonore mesuré à 50 m du haut-parleur dans une direction faisant un angle de 60 avec l axe principal du haut-parleur? Problème 2 : Montrer que le niveau d intensité sonore diminue de 6 db à chaque fois que la distance entre le haut-parleur et le sonomètre, qui mesure le niveau d intensité sonore, double. Microphone et haut-parleur Page 5 / 5 C. Grange-Reynas