AP2    LES MICROPHONES      

 

 

 
AP2.1  Petit historique

Voici comment sont nés ces premiers transducteurs électroacoustiques :

Un maître d’école allemand M.Reis présenta en 1861 la première installation de transmission électrique de la parole. Ce ne fut qu’une simple curiosité. L’américain d’origine anglaise M.Alexandre Graham Bell (1847-1922), instituteur pour sourds-muets, réalisa en 1876 une capsule électromagnétique utilisable comme microphone et écouteur. La qualité était suffisante pour la parole. En ce sens, M.Bell peut être considéré comme le père du téléphone.

La capsule électromagnétique de M.Bell manquait toutefois de sensibilité et les amplificateurs n’existaient pas. En 1878 M.David Edward Hughes (1831-1900), également chercheur américain d’origine anglaise, construisit le premier microphone à charbon et à contacts solides, vraiment plus pratique que l’invention de M.Bell. La sensibilité de cet élément, sinon sa qualité, donna le coup de pouce nécessaire à l’extension foudroyante du téléphone. Il y avait 22 millions d’appareils en service à la mort de M.Bell en 1922.

 

 
AP2.2  Généralités
 
La fonction première d'un microphone est de capter des ondes sonores et
de les transformer en un signal électrique appelé signal audio. A ce titre, un microphone est un transducteur d'énergie, il transforme de l'énergie acoustique en énergie électrique.
 
Il existe plusieurs éxécutions de microphones. Le système utilisé pour la transformation d'énergie est généralement précisé par le nom du microphone: Micro électrect, micro à condensateur, micro électro-dynamique, etc. Les éxécutions les plus courantes sont brièvement décrites ci-dessous.
La forme du boîtier dans lequel est insérée la capsule transductrice du microphone va influencer sur la direction privilégiée pour laquelle le micro sera le plus sensible. Nous parlons de type acoustique: Micro omnidirectionnel, unidirectionnel, cardioïde,etc.

L’étude des microphones est très complexe car plusieurs aspects peuvent être pris en considération. Le choix d’un microphone dépendant d’un nombre de facteurs assez important, comme la source sonore (instrument, voix d’un soliste, choeur, etc.), le local de prise de son (studio, salle polyvalente, extérieur, etc.), ou encore l’emplacement du microphone par rapport à la source, et il y en a d’autres. Nous allons nous contenter ici d’un résumé succinct permettant une connaissance minimale de ces appareils pour pouvoir en lire les principales caractéristiques.

AP2.3  Définition électrotechnique

La transformation d’énergie acoustique en énergie électrique, et réciproquement, ne s’effectue pas directement : il y a un passage par un stade intermédiaire, celui ou l’énergie mécanique est emmagasinée par un solide qui se meut ou qui est déformé. Une membrane qui se déplace au rythme des vibrations acoustiques entraîne une modification d’un élément solide (ou gazeux) qui lui-même délivre une grandeur électrique variable. Nous pouvons représenter schématiquement un microphone par les trois " parties " A B C du dessin ci-dessous :

A     L’élément transducteur :
Principe physique mis en jeux pour la transformation d’énergie. Trois grands principes sont utilisés Principe piézo-électrique, électromagnétique (ou électrodynamique) et électrostatique.
 
B     Le boîtier du microphone :
La forme ainsi que les ouvertures du boîtier vont avoir une grande importance sur une des qualités du microphone, la directivité. Nous parlerons de types acoustiques.
 
C     Le générateur E et sa résistance interne Ri :
Au point de vue électrotechnique, un microphone peut parfaitement être considéré comme un générateur de tension alternative possédant une résistance interne.

AP2.4  Les différents principes des transducteurs électroacoustiques
 

Le microphone transforme une information acoustique présente dans un milieu ambiant en une information électrique présente aux connections électriques de sa sortie. Un microphone idéal obtiendrait une information sonore à sa sortie exactement identique, c'est-à-dire sans aucunes distorsions, à celle présente à l'entrée. Cette demande est impossible à réaliser pour diverses raisons et cela explique la diversités des microphones rencontrés.

Le procédé de transduction va déterminer l'ensemble des performances et des cactéristiques du microphone. Le procédé choisi va influencer fortement son prix. Nous pouvons relever une évolution depuis quelques années, les microphones électrostatiques ayant tendance à supplanter tous les autres procédés. Mais nous rencontrons encore un peu partout des microphones utilisant différents procédés. En voici les principaux :

AP2.4.1.1  Transducteur électromagnétique: Microphone à ruban

Un ruban métallique (ou alliage conducteur) se déplace au milieu d’un champ magnétique, ce qui modifie le circuit magnétique et par conséquent le courant circulant dans le circuit. Les variations de courants se retrouvent au secondaire du transformateur.

Ce microphone offre une haute qualité ce qui lui a valu une grande utilisation en studio. Ils étaient surtout sensibles aux chocs et aux vents. Ils avaient impérativement besoin d’un transformateur.

AP2.4.1.2  Transducteur électromagnétique: Microphone à bobine mobile

La membrane est solidaire d’une bobine mobile qui se déplace dans l’entrefer d’un aimant permanent puissant. La loi de Faraday stipule que tout déplacement d’une bobine dans un champ magnétique engendre une force électromotrice à ces bornes proportionnelles à son déplacement. C’est le fonctionnement inverse d’un haut-parleur.

Ces microphones assez peu fragile et d’excellente qualité pour un prix abordable en ont fait les microphones les plus répandus, autant pour un usage extérieur qu’intérieur.

 

AP2.4.1.3  Transducteur électromagnétique: Microphone capteur de guitare

La caisse de résonance d’une guitare classique est supprimée dans les guitares électriques et les vibrations des cordes doivent être amplifiées. Sous chaque corde métallique est placé un circuit magnétique, dont l’entrefer est réglé par une vis en fer doux.

La vibration de la corde engendre une modification du circuit magnétique qui entraîne une variation du courant dans la bobines. Les 4 ou 6 microphones sont reliés en série et alimentent ainsi le préamplificateur.

AP2.4.2.1  Transducteur piézo-électrique

La membrane déforme une petite pastille piézo-électrique. Il s’agit d’un matériau présentant une structure atomique cristalline, comme le quartz. Un tel matériau présente aux surfaces une force électromotrice proportionnelle à la déformation mécanique. La métallisation des surfaces permet de " récupérer " cette tension.

Ces microphones présentaient de bonnes caractéristiques dont une tension élevée. Toutefois leur haute impédance obligeait des câbles courts et enfin le cristal piézo-électrique vieillit mal tout en craignant chaleur et humidité. Ces microphones sont très peu répandus.

 

AP2.4.2.2  Transducteur électrostatique: Microphone à condensateur

La capsule est constituée d’un condensateur variable dont une des armatures est une membrane mobile d’un poids négligeable tendue très près d’une armature fixe.

Pour fonctionner, le condensateur doit être polarisé par une tension électrique de l’ordre de 50V à 60V. Les déplacements de la membrane entraîne une variation de capacité, qui est traduite par une variation de tension aux bornes de la résistance de charge.

D’une qualité exceptionnelle, ces microphones se sont très vite imposés en studio malgré un coût relativement élevé , malgré une alimentation élevée nécessaire et malgré une relative fragilité aux chocs et à l’humidité. A cause de l’alimentation nécessaire, ce sont des microphones essentiellement de studio.

AP2.4.2.3  Transducteur électrostatique: Microphone à électret

Ce sont des microphones à condensateur n’ayant pas besoin d’une polarisation aussi élevée pour fonctionner. Certains plastiques conservent une certaine polarisation (orientation électrique des molécules). Par exemple, un film de polycarbonate métallisé, polarisé sous une tension de 3kV dans une étuve à 120 degrés celsius puis refroidit brusquement, conserve une polarisation de manière définitive : C’est un électret.

Ces microphones ont permit la miniaturisation ainsi que l’obtention de microphones de très grandes qualités tout en étant transportable. Seules une alimentation d’une pile suffit. De plus, la miniaturisation des circuits électroniques a permis d’inséré et la pile et un circuit amplificateur dans le boîtier conventionnel d’un microphone. Ils sont parmi les plus répandus actuellement.

 

AP2.4.3  Transducteur " à charbon "

Le fonctionnement repose sur les contacts imparfaits des molécules de charbon entre elles. Les granules de charbon remplissent un volume fermé par la membrane. Le déplacement de celle-ci entraîne une variation de résistance qui est transmise par le transformateur. C’est le plus vieux système de microphone (inventé par M.Hughes) et il a été utilisé par tout les appareils téléphoniques jusqu’à aujourd’hui.

Actuellement, les microphones à électret les ont remplacés, car les téléphones de nos jours remplissent encore bien d’autres fonctions, ce qui implique presque obligatoirement des circuits électroniques, dont l’amplificateur nécessaire au fonctionnement de l’électret.

AP2.5  Les différents types acoustiques des microphones

Le fait de considérer un microphone comme un transducteur électroacoustique n’est pas suffisant. Il faut ajouter que ce sont des capteurs, c’est-à-dire des appareils destinés exclusivement à opérer comme des sondes. Une sonde détecte en un point bien déterminé de l’espace ce qui se passe. Idéalement, il faudrait que le capteur satisfasse deux conditions. Qu’il ne prélève qu’une toute petite partie de l’énergie contenue dans l’onde et qu’il ne la déforme pas. Si la première condition est aisément remplie la deuxième est plus difficile à satisfaire, notamment à cause de la diffraction des ondes.

De toute évidence, l’orientation du microphone par rapport à la source ainsi que la direction des ondes arrivant sur le microphone vont avoir une importance très grande sur la qualité du signal électrique de sortie du microphone. Nous distinguons trois principaux types de microphones, les microphones de pression, de gradient de pression et mixtes. Le type du microphone, c’est-à-dire la constitution de son boîtier va déterminer le diagramme de directivité du microphone.

 

AP2.5.1  Microphone à pression

Une capsule transductrice placée dans un boîtier totalement fermé va être sensible aux ondes sonores arrivant de tout côté. Nous parlons d’un microphone omnidirectionnel. Il capte les sons en provenance de partout, pour toutes les fréquences.

Le diagramme de directivité, ou diagramme directionnel d’un microphone exprime la sensibilité que présente le microphone en fonction de la direction des ondes sonores et en fonction de la fréquence. Si les fréquences inférieures à quelques kHz ne posent pas trop de problèmes, le boîtier du microphone va entraîner des disparités pour les fréquences élevées (voir exemple Sennheiser).

AP2.5.2  Microphones à gradient de pression

Pour ces microphones, la capsule transductrice est placée dans un boîtier présentant des ouvertures à l’avant et à l’arrière de la membrane. Ce système devient plus sensible aux ondes sonores en provenance de l’avant et de l’arrière, car les sons de côtés arrivent en même temps aux deux faces de la membrane.

Nous parlons de microphones bidirectionnels. Le diagramme de directivité présente la forme d’un 8.

AP2.5.3  Microphones mixtes

Il s’agit bien sûr de la combinaison des deux procédés ci-dessus, ce qui permet d’obtenir des diagrammes de directivité plus pointus, plus orientés vers l’avant du microphone. Le diagramme de directivité obtenu se nomme cardioïde ou encore super-cardioïde.

Les microphones super-cardioïdes sont très utiles pour leur atténuation à 90 degrés et à 270 degrés autour d'eux. Cela permet de réduire l’effet Larsen, l’effet de réverbération du local ou encore le bruit ambiant de la salle de prise de son.

Nous pouvons encore rencontrer des microphones dits " canons " dont la réalisation est effectuée par un long tube devant la capsule transductrice. Ce qui a pour effet d’augmenter encore la directivité du microphone, nécessaire en studio lorsque les microphones doivent sortir du champ d’une caméra, par exemple.

AP2.6  Principales caractéristiques des microphones

Nous avons vu que les microphones sont à considérer sur le plan électrique comme des générateurs de tension délivrant une force électromotrice avec une résistance interne propre. Nous pouvons ajouter au schéma de principe une résistance de charge que présente l’amplificateur sur lequel le microphone sera branché.

AP2.6.1  Diagramme de directivité

Nous avons vu que le type acoustique d'un microphone, c'est à dire la forme des ouvertures du boîtier, influence directement sur la direction privilégiée du microphone.

Le diagramme de directivité illustre les directions pour lesquelles le microphone favorise la quantité des sons reçus. Malheureusement, il n'est pas possible d'isoler une direction, il n'est pas possible de ne rien capter du tout à l'arrière d'un microphone par exemple.

Par contre, il est possible de fortement atténuer les sons en provenance de l'arrière par rapport aux sons en provenance de l'avant, c'est le cas d'un microphone unidirectionnel.

                OMNIDIRECTIONNEL                  HYPER - CARDIOÏDE                   UNIDIRECTIONNEL

 

AP2.6.2  Sensibilité

La sensibilité d'un microphone représente sa tension de sortie en fonction de l'a pression acoustique ambiante. Autrement dit, la force électromotrice E [V] dépend essentiellement de l’intensité acoustique présente autour du microphone J [W/m2], et du système de transduction. Plus un son est fort, plus la tension que délivre le microphone est élevée.

Mais comme les énergies à l'entrée et à la sortie ne sont pas les mêmes, les fabricants nous donnent le rapport de la tension de sortie (énergie électrique) avec une pression acoustique donnée (énergie acoustique).

La pression acoustique s’exprime en Newton par mètre carré ou encore souvent en Pascal, voir en microbar.

1Pa <--> 10 mbar <-- > 1 N / m2

La sensibilité d’un microphone peut donc s’exprimer en V / Pa ou mV / Pa ou V / mbar ou encore mV / mbar. Toutefois, nous rencontrons le plus souvent une unité faisant appel aux décibels, nécessitant une pression acoustique choisie comme pression de référence.

La quantité de pression acoustique choisie pour référence est généralement la pression limite d’audibilité à 1kHz. Le seuil d’audibilité à 1kHz est de 1pW / m2 d’intensité acoustique, ce qui correspond à une pression de 20mPa. C’est la référence acoustique " sound level "

Ce qui amènent les fabricants à nous donner la sensibilité en dBV / mbar ou dBmV / mbar ou dBV / Pa ou encore dBmV / Pa.

Les valeurs rencontrées se situent autour de -50dB/Pa à -90dB/Pa environ.

La mesure de la sensibilité d'un microphone doit s'effectuer en "champ libre", c'est à dire dans un espace dénué de réflexions sonores. C'est possible en plein air (mais la difficulté est d'obtenir le silence avoisinant) ou dans une chambre "sourde" ou anéchoïde (chambre sans échos). Cette mesure est donc très difficile en atelier.

L'idée est de produire une pression acoustique définie et constante, mesurée à l'aide d'un sonomètre, puis de mesurer la tension alternative de sortie du microphone non chargé par un amplificateur (tension de sortie à vide).

Comme il s’agit de la tension de sortie à vide pour une certaine pression acoustique, les français parlent souvent de l’efficacité caractéristique en champ libre. Mais comme cette valeur est mesurée en chambre anéchoïde (ou chambre sourde), elle ne donne pas une valeur exacte de ce que délivre le microphone en utilisation normale, mais permet de comparer les microphones entre eux.

Les américains donnent plus facilement la quantité de signal disponible sur l’impédance de charge qui est admise de même valeur que la résistance interne du microphone. Ce qui donne la sensibilité en mW / Pa ou en dBm / Pa ou dBm / mbar.

AP2.6.3  Courbe de réponse

Comme pour tout appareil d’une chaîne acoustique, la courbe de réponse est utile pour connaître la linéarité ainsi que la plage de fréquence qui peut transiter.

Pour un microphone, il s’agit de connaître la plage de fréquence pour laquelle il délivre un signal électrique, mais il est également très important de connaître sa linéarité.

Certains microphones possèdent même une commutation incorporée pour modifier la courbe de réponse selon l'emplacement du microphone par rapport à la source sonore.

En effet, les sons graves ne se propagent pas de la même manière que les sons aigus. Par exemple pour la parole, la tonalité n’est pas du tout la même si vous captez à 5cm de la bouche ou à 1m, et varie également si vous posez le micro à l’avant de la tête ou accroché au veston (le graphique ci-dessus représente la courbe d'un micro lavallière).

 

AP2.6.4  Impédance et adaptation

L'impédance d'un microphone est donc la valeur de sa résistance interne propre au système de transduction. Cette résistance est inévitable. L'utilisation du microphone implique toujours une connexion à un étage électronique de préamplification. Que ce soit une table de mixage ou un amplificateur, ces appareils présentent toujours une impédance de charge, comme présenté plus haut sous Définition électrotechnique.

Plus la valeur de la résistance de charge est grande, plus la tension de sortie du microphone Us se rapproche de la force électromotrice, ou tension à vide E. Dans la pratique, le microphone est souvent utilisé en générateur de tension, donc Ri << Rch.

Microphone basse impédance : 50 W - 200 W - 600 W ==> Rch ampli = 2,5 kW environ.
Microphone haute impédance : 20 kW - 25 kW ==> R
ch ampli  = 1 MW environ.

Parfois, l'impédance du microphone est adaptée à celle de l'amplificateur, donc Rimic = Rch. Dans ce cas, la puissance transmise est maximale. Les fabricants américains nous donnent plus facilement le niveau, en dBm, disponible sur une charge adaptée.

D'autre part, l'impédance du microphone est importante pour la longueur des câbles. Un branchement haute impédance est plus sensible aux rayonnements extérieurs et aux capacités parasites des câbles (150 pF usuel).

Basse impédance --> longueur maximale = environ 100m pour la musique et
                     300m pour la parole.
 
Haute impédance --> longueur maximale = environ 10m.

La mesure s'effectue en prenant deux valeurs de résistance de charge différentes et de mesurer la tension de sortie pour chaque valeur de Rch . En connaissant la valeur de Rch , il est possible de calculer le courant délivré par le microphone. A partir de là, il est possible de calculer la résistance interne par les variations de tensions et courants mesurés.