AC 1 ACOUSTIQUE - MICRO ETALON 0BJECTIFS Utilisation d'un microphone étalon pour étudier les courbes de réponse en fréquence d'un haut-parleur et d'un microphone électrodynamique. Mesure de la vitesse du son dans l'air par examen du déphasage introduit par une variation de la distance entre deux transducteurs électroacoustiques. MATERIEL - Un générateur de signaux électriques sinusoïdaux, dont on peut faire varier l'amplitude et la fréquence ( entre 20 Hz et 20 khz ), alimente, via un amplificateur HI-FI, un transducteur électroacoustique "Haut-Parleur" qui transforme ces signaux en vibrations acoustiques. Ces vibrations se propagent à l'intérieur d'une chambre sourde ( dont les parois ne réfléchissent pas les sons ) et sont captés par un transducteur électroacoustique "microphone", fonctionnant en sens inverse du précédent, c'est à dire transformant le signal acoustique en signal électrique. - Un microphone étalon à condensateur "BRUEL et KJAER" accompagné de son alimentation. Cette alimentation est à piles; il est donc impératif de l'arrêter quand vous n'utilisez plus le microphone. - Un microphone électrodynamique. - Un oscilloscope. - Deux voltmètres numériques dont la bande passante convient pour des mesures jusqu'à 20 khz. - Deux Ampli.Op. TRAVAIL EXPERIMENTAL 1 - Courbe de réponse d'un haut parleur. Vérifier le montage du haut parleur alimenté ( via l'ampli. HI-FI ) par le générateur de signaux ainsi que celui du microphone étalon.
Géné. B.F AC 2 v Sortie H.P Entrée Aux. 2 Ampli. Op. de gain 10 AMPLI HIFI Vs Coaxial Micro. electrodynamique H.P Veff Alim. + Ampli. Micro. étalon Coaxial Chambre sourde e Schéma synoptique de l'ap pareillage Mesurer la tension efficace e fournie par le micro pour une valeur constante de la tension d'alimentation Veff du H.P ( cette valeur doit être le maximum acceptable compte tenu des nuisances crées dans la salle de T.P. par le Haut parleur), et pour des fréquences allant de 20 Hz à 20 khz ( choisir une dizaine de valeurs de fréquences par décade ). Veff =
Inscrire ces résultats dans le tableau ci-après: AC 3 e(mv) e(mv) Tracer la courbe de réponse du H.P. ( efficacité en db en fonction de la fréquence f ). On pourra utiliser la relation eff db = 20 log 10 ( 1000 e ) où e est en mv/v de H.P. Cette relation, où l'on prend 0 db au seuil d'audition, se démontre à l'aide des documents fournis en annexe. 2 - Courbe de réponse d'un microphone. Réaliser le montage d'un microphone électrodynamique avec amplification ( gain de 100 ) du signal délivré. ( Vs tension de sortie de l'ampli : cf schéma ). Mesurer la tension efficace Vs et la tension e délivrée par le micro étalon. Pour chaque fréquence f, comprise entre 20 Hz et 20 khz, maintenir constante la valeur de e en retouchant la tension Veff aux bornes du H.P. D'après la propriété du microphone étalon, on est assuré de soumettre ainsi le microphone électrodynamique à une même pression sonore quelle que soit la fréquence f. Le choix de la valeur e, donc de la pression sonore, devra tenir compte de la gêne que l'on risque d'occasionner dans la salle de T.P. ( nuisances sonores ). Une valeur de e 5 mv reste acceptable. e = Inscrire dans le tableau ci-après les valeurs de Vs en fonction de f.
AC 4 Vs(mV) Vs(mV) Tracer la courbe de réponse de l'ensemble "microphone électrodynamique + ampli" (efficacité en db en fonction de la fréquence f ), en prenant comme référence un microphone donnant 1 V par Pascal. On pourra utiliser la relation eff db = 20 log 10 ( 10Vs) avec Vs en V, relation qui se démontre à l'aide des documents fournis en annexe. 3 - Mesure de la vitesse du son. L'énergie reçue par le microphone étalon dépend de la distance micro - H.P. (loi en 1/R 2 ) Dans l'étude qui suit on négligera cette variation ( déplacements du micro de l'ordre d'une quinzaine de centimètres ). Effectuer un montage à l'oscillo permettant de mettre en évidence le déphasage entre le signal v délivré par le générateur et le signal e ( fourni par le microphone étalon ).Si la fréquence f du générateur est convenablement choisie ( longueur d'onde pas trop grande), on peut observer la variation de ce déphasage en fonction de la distance H.P. - micro. Repérer des positions successives du micro correspondant à un déphasage nul entre les deux signaux. En déduire la longueur d'onde l et donc la vitesse de propagation v = l f de l'onde émise par le H.P. Effectuer les mesures pour plusieurs fréquences et indiquer ces résultats dans le tableau cidessous: fréquence l Vitesse son
Déduire de ces mesures une valeur moyenne de la vitesse du son dans la chambre sourde, en indiquant si le résultat vous paraît plausible. AC 5 Valeur moyenne de la vitesse du son: DOCUMENT ANNEXE 1 généralités Un son pur est une vibration sinusoidale longitudinale de l'air qui se traduit par une variation locale de pression. On appelle pression sonore Ps cette variation de pression : Ps = Psm sin (wt - F) Ps mesurée en Pascal ( Pa ) La vibration est caractérisée par son amplitude Psm et sa fréquence : f = w/ 2π On définit l'intensité sonore (ou niveau de pression sonore) par la relation : Is = 20 log 10 ( Ps/ Pso ) Is mesuré en décibels (db) Pso = 2. 10-5 Pa est la pression sonore correspondant au seuil d'audition ( valeur en-dessous de laquelle un son n'est plus perçu par l'oreille ). L'emploi des db résulte du fait que l'oreille perçoit des sensations proportionnelles au logarithme de l'énergie reçue. 2 sensibilité des transducteurs électroacoustiques On appelle efficacité (ou sensibilité) du transducteur le rapport de la grandeur de sortie (réponse) à la grandeur d'entrée (exitation). Ps émise (Pa ) EHP = V tension d'alimentation (Volt) e(tension produite) Emicro = Ps reçue ( Remarque: en fait l'efficacité Emicro caractérise l'ensemble du microphone et du préamplificateur) En général l'efficacité E dépend de la fréquence f. Le graphe de E(f) constitue la courbe de réponse du transducteur. La pression sonore Ps émise par le haut-parleur se déduit de e, tension lue aux bornes du microphone étalon, sachant que ce dernier a une efficacité de 50,1 mv/pa quelle que soit la fréquence. De même la pression Ps reçue par le microphone électrodynamique se déduit de la tension e maintenue constante aux bornes du microphone étalon.
AC 6 Afin de pouvoir représenter des variations éventuelles de E s'étendant sur plusieurs décades, on préfère dans la pratique utiliser une échelle logarithmique. L'efficacité est alors exprimée en décibels par la relation : effdb = 20 log 10 (E/E0) E0 est l'efficacité d'un transducteur de référence de même type que le transducteur étudié. Afin de faciliter les calculs on peut choisir E0 égal à : *1 Pa/V si le transducteur est un haut-parleur. * 1V/Pa si le transducteur est un microphone. On reste en cohérence avec la définition générale du décibel qui, quel que soit le domaine physique concerné, s'exprime comme le produit par 20 du logarithme décimal d'un rapport. Exemple 1 : l'efficacité du microphone étalon ( qui délivre 50,1. 10-3 V/Pa quelle que soit la fréquence ) par rapport à un micro référence donnant 1 V/Pa est : 50, 1.10-3 20 log( 1 Pa 1 V 1 Pa ) = - 26 db On dit qu'il a une sensibilité de - 26 db par rapport à un microphone fournissant 1 V/Pa. Exemple 2 : l'efficacité d'un haut-parleur donnant 0,5 Pa/V à 1000 Hz et à 1m de distance est, par rapport à un haut-parleur donnant 1 Pa/V: 20 log( 0, 5 Pa 1 V 1 Pa 1 V ) = - 6 db