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Arnault DERIEUX 1S4

Max BLANQUETCyril ROCHERAymeric MARTIN

2013-2014

I) Introduction :TPE 2013-2014

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Notion : Avancées scientifiques et réalisations techniques.Thème : Le microphone et son inverse, le haut parleur.

Ayant choisi les avancés scientifiques et réalisations techniques, nous avons pris comme thème d'étude principal les microphones et en sous catégorie leurs inverse, les hauts parleurs. Nous nous intéresserons à leur fonctionnement et à l’heure histoire ainsi que leur utilisation dans la vie de tous les jours.

a)Problématique   :

« En quoi les microphones et les haut-parleurs sont-ils « opposé » et comment cette opposition de fonctionnement permet de créer un son ou d’en enregistrer un ? »

b) Définition d’opposé (dans ce cas)   :

Les microphones et les haut-parleurs se ressemblent dans le principe, tout deux permettent soit de créer du son soit d’en enregistrer un. Ils ont tout les deux une entrée et une sortie.

c) Déroulement du dossier et des séances   :

Nous avons tout d’abord voulu définir précisément les microphones et les haut-parleurs. Comment ils ont été créés, à quoi ils servent ? Puis nous avons cherché leur histoire, leur création, leur évolution. Ensuite, nous avons étudié plusieurs sorte de microphone tout en comprenant de mieux en mieux le fonctionnement des microphones et des haut-parleurs par le biais de deux expériences (voir dossier). Ensuite nous avons cherchés à quoi les microphones été employé, pourquoi il en existé de plusieurs sorte (diagramme polaire, directivité des microphones, voir dossier) ; Pour finir, nous avons répondu en concluant le dossier.

Sommaire   :

I ) Introduction a) Problématiqueb) Définitionc) Déroulement du dossier et des séances

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II) Histoirea) Le sonb) Le microphonec) Le haut parleur

III) Création d’un signal électrique par le principe d’inductiona) Définitionb) Expérience sur l’induction

IV) Fonctionnement des microphones1) Le microphone en générala) Le microphone dynamique à bobine mobileb) Le microphone électrostatiquec) Le microphone à ruband) Le microphone à charbone) Le microphone à électret2) La loi de Lenz-Faraday3) Préférence d’utilisation d’un microphonea) La directivitéb) Le diagramme polaire d’un microphone

V) Fonctionnement d’un haut parleura) Expérience de Laplace

VI) Conclusion du dossiera) Réponse à la problématique

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II) Histoire

Nous allons vous présenter l’histoire et la définition de quelques notions utiles au dossier.

a)Le son   :

C’est une onde créé à partir d’un mécanisme physique, un choc pour exemple, qui créer une suite de variation de pression par le mouvement infime des particules de la matière Le son se propage dans l’atmosphère terrestre (l’air), et ne peut se propager dans le vide. La science qui étudie le son s’appelle l’acoustique.

b)Le microphone :

Un microphone est un outil permettant de transformer des signaux acoustiques en signaux électriques. Le premier microphone fut créé en 1878 par un ingénieur américain, David Edward Hughes, qui était en réalité un transmetteur (dispositif de transmission sonore) électroacoustique (l'électroacoustique étant un procédé qui permette d'enregistré, de traité et de reproduire les sons). Quelques inventions avant cette date peuvent être considérées comme des ébauches du microphone. Il est l'inverse du haut parleur. Le microphone sert de nos jour pour enregistrer toutes sorte de sons en qualité (musique, discours, concerts...).

c) Le haut parleur :

Créé le 10 décembre 1877, par Werner Von Siemens, le haut parleur permet de créé des ondes sonores à partir d'un signal électrique. C’est un transducteur électromagnétique (un transducteur est un dispositif permettant de transformer un signal physique en un autre) qui transcrit un signal électrique en onde acoustique. Il est l'inverse du microphone. Il est aussi bien créé en petite taille (écouteurs,...) et en grande taille pour de grande puissance de sons avec des amplificateurs (enceintes géantes pour les concerts,...). De nos jours, le haut parleur électrodynamique représente environ 99% du marché mondial.

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III) Création d’un signal électrique par le principe d’induction.

a) Induction   électromagnétique   :

L’induction électromagnétique est un procédé physique permettant de produire une différence de courant dans un conducteur soumis à un champ magnétique ce qui peut engendrer un courant électrique.

b) Expérience   :

Matériels   :

-Un oscilloscope-une bobine de cuivre carré attaché à un ressort-des fils conducteurs (électriques)-un aimant.

Déroulement   :

Raccord entre l’oscilloscope et la bobine de cuivre. Puis mise en mouvement de la bobine verticalement plus ou moins rapidement pour créer un signal sur l’oscilloscope montrant la création d’un signal électrique.

Résultat   :

Mouvement verticale rapide de l’oscilloscope lors d’une mise en mouvement rapide de la bobine et mouvement verticale lent de l’oscilloscope lors d’une mise en mouvement de la bobine lentement. (Voir photos expérience 1 annexe)

Conclusion   :

D’après les résultats, la mise en mouvement d’une bobine de cuivre verticalement, un aimant au milieu de cette dernière, créer un signal électrique positif ou négatif en fonction de la vitesse à laquelle la bobine de cuivre se déplace.

Le signal est positif lorsque la bobine ‘’remonte’’ et le signal est négatif lorsque la bobine descend. La vitesse à laquelle la bobine bouge créer un signal plus ou moins fort, exemple, un mouvement rapide créera un signal négatif fort puis un signal électrique positif fort et à l’inverse lorsque la bobine de cuivre se déplace lentement.

Photo 1 Photo 2

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Photo 3

Sur la photographie numéro 1, l’intensité du courant est normale. Sur la photographie numéro deux, le mouvement perpendiculaire de la bobine de cuivre vers l’aimant nous montre un changement d’intensité (-). Sur la photographie numéro 3, le mouvement perpendiculaire de la bobine de cuivre sur l’aimant vers le haut créé aussi un changement d’intensité (+).

IV) Fonctionnement du Microphone

1) Microphone en général:

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Référence

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En général, des ondes sonores viennent faire bouger une membrane très sensible qui retranscris son mouvement à un aimant qui, grâce au principe de l'induction, fait réagir la bobine de cuivre qui créé un courant alternatif.

Ils y a plusieurs sortent de microphone que nous détaillerons au fil de cette étude.

a) Le microphone dynamique à bobine mobile   :

Schéma du fonctionnement d'un microphone à bobine mobile

Dans les microphones électromagnétiques à bobine mobile, une bobine est collée à la membrane qui la fait donc vibrer dans le champ magnétique d'un aimant. Le mouvement crée une force électromagnétique formant le signal électrique du son reçus. Ces microphones sont dit dynamiques car la pression de l'énergie sonore sur la membrane donne directement un courant électrique utilisable.

Contrairement aux microphones électrostatiques ils n'ont pas besoin d'alimentations.

b) Le microphone électrostatique   :

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Schéma du fonctionnement d'un microphone électrostatique

Dans les microphones électrostatiques la membrane est à coté d'une armature (une armature étant un solide servant de squelette) arrière qui lorsque elle vibre le touche et laisse passer le courant arrivant par l'alimentation, ce contacte donne un signal électrique plus ou moins fort qui suite à une traduction donne le son enregistrer. La sensibilité des microphones électrostatiques est supérieure à celles des dynamiques.

c) Le microphone à ruban   :

Dans les microphones à ruban, la membrane qui vibre est un fin ruban métallique mis dans le champ magnétique d’un aimant permanent (aimant contenant des atomes de terre rare, des lanthanides), il fait donc à la fois office de membrane vibrante mais aussi de bobine électrique. Ce ruban est fréquemment fabriquer en aluminium plissé (en accordéon), le ruban est placé dans l’entrefer d’un aimant, c'est-à-dire entre la borne positive et négative, la tension créé est récolté aux extrémités du ruban. Il fonctionne avec le principe de l’induction magnétique due à la loi de Lenz (voir définition), donc à peu prés comme un microphone dynamique a bobine mobile mais il est plus léger. Il ne nécessite pas d’alimentation et il est nettement plus fragile. Ce micro a était développer dans les années 30.

d) Le microphone à charbon   :

C’est un des premiers microphones. Il s’agit de faire varier une résistance.Une membrane conductrice est placée sur un récipient contenant des

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granules. On fait passer un courant entre la membrane et le récipient. Le charbon est conducteur et laisse passer le courant. Lorsque la membrane se déplace, les grains de charbon sont plus ou moins comprimés et font varier la conductivité globale du charbon. Si on alimente avec une intensité constant on fait varier la tension et vice-versa.La distorsion est très élevée et la sensibilité faible.Ces microphones on longtemps été utilisé dans les téléphones. Aujourd’hui ce sont des objets de collection.

e) le microphone à électret   :

Un microphone à électret reprend le fonctionnement d’un microphone électrostatique mais possède trois différences majeures :

- La membrane ne se trouve pas entre deux grille polarisée mais seulement au contact d’une seule.

- la tension de polarisation est bien plus faible pour le microphone (5-12V)

- il n’y a pas d’air entre les grilles mais un polymère ayant subi un traitement chimique le remplace

Ce genre de microphone possède sa propre alimentation par le biais d’une pile électrique.

Définitions   :

Grille polarisé : Grille sur laquelle on a appliqué une tension de polarisationTension de polarisation : Fait de fixer à quelque chose, ici une grille, un courant ou une tensionPolymère : Substance composé de macromoléculesMacromolécule : considérée comme une très grande molécule qui est donc censé posséder une masse moléculaire relativement élevé. 2) Fonctionnement du courant électrique dans le microphone et déplacement de l’aimant grâce à la loi de Lenz-Faraday.

Lorsqu’on approche un aimant d’une bobine connectée sur un ampèremètre, on détecte un courant électrique dans la bobine.

Le sens de ce courant dépend de la façon dont on déplace l’aimant et de l’orientation des pôles magnétiques.

- Quand on approche l’aimant de la bobine, les deux pôles magnétiques nord l’un en face de l’autre, la bobine créer un champ magnétique semblable à celui de l’aimant afin de le repousser. L’intensité du courant de la bobine est alors positive.

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Microphone à électret

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- Quand l’aimant s’éloigne de la bobine, les pôles magnétiques Nord et Sud l’un en face de l’autre, cette dernière créer un champ magnétique opposé à celui de l’aimant qui cette fois l’attire. L’intensité du courant de la bobine est alors négative.

Le phénomène est d’autant plus important que le mouvement de l’aimant est rapide. Il est d’autant plus important que l’aimant est présenté axialement devant la bobine (il est imperceptible si on approche l’aimant perpendiculairement à l’axe de la bobine).

En fonction du type de courant, de son intensité, il est donc possible de coder et d’enregistrer le son.

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3) Préférence d’utilisation d’un microphone.

Pour choisir un microphone, il faut d’abord savoir à quoi il est destiné. En fonction du type de microphone et de leurs fabrications, certain d’entre eux capte dans une zone plus ou moins grande et de forme différente. Pour un enregistrement de dialogue, il est préférable d’utilisé un microphone dit « canon ». Pour un enregistrement d’une ambiance sonore, un microphone à enregistrement omnidirectionnel est conseillé.

a) Le diagramme polaire d’un microphone.

Le diagramme polaire représente la sensibilité et donc la meilleure qualité de l’enregistrement d’un microphone en fonction de la direction de la provenance du son enregistré. La zone est représentée sur un cercle de 360 degrés montrant qu’elle est la meilleure provenance du son pour le meilleur enregistrement.

b) La directivité   :

La directivité d’un microphone permet de savoir dans quelle zone autour du microphone il enregistre le mieux le son, dans quelle zone il est le plus sensible. Il y a deux directivité majeur, de base : la dirictivité Omnidirectionnel et la directivité Bidirectionnel.

Directivité Utilisation/description

Diagramme Polaire

OmnidirectionnelLa directivité omnidirectionnel est la zone d’enregistrement la plus large. C’est le seul microphone qui ne privilège aucun son.

Bidirectionnel

La directivité Bidirectionnel est la directivité qui permet au mieux d’optimiser les problèmes acoustiques dû à certain instrument, comme la batterie.

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A partir des deux directivités principal, l’omnidirectionnel et la bidirectionnel, on peut créer d’autre directivité permettant de meilleur prise de son en fonction de l’utilisation.

Directivité Utilisation/description

Diagramme Polaire Création

Cardioïde

La directivité cardioïde est la meilleure zone d’enregistrement pour les instruments/chant (plus sensible aux sons venant en face du microphone). Son nom vient de sa forme.

0,5×Omni +

0,5×Bidir

Hypercardioïde

Souvent utilisé lors de conférence ou dans tout autre événement où les orateurs s’approchent peu des microphones, il est semblable au Cardioïde mais possède une zone avant plus étroite et une petite zone arrière.

0.3xOmni + 0.7xBidir

Canon

Ayant une zone avant fortement accentué, il est beaucoup utilisé lors d’enregistrement de dialogue et de prise de son au cinéma. Il est difficile d’utilisation à cause de la précision qu’il faut.

X

Il existe d’autre sorte de directivité, comme le Super-cardioïde, cardioïde large, etc…

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V) Fonctionnement d’un haut parleur   :

Un signal électrique (courant alternatif) vient parcourir une bobine de cuivre dans laquelle se trouve un aimant qui par le principe d’induction bouge et transmet son mouvement à une membrane qui retranscrit le mouvement en ondes sonores.

a)Expérience   : Rail de Laplace.

- Grâce à un aimant en forme de U entouré de deux barres parallèles conductrices qui créer un circuit électrique par le biais d’une barre conductrice posé sur les deux autres barres, on peut en fonction du sens du courant ou de l’orientation de l’aimant (nord-sud, sud-nord), voir la barre mobile avancer ou reculer, matérialisant le fonctionnement d’un haut parleur (sachant que ce dernier change le sens du courant et non le sens de l’aimant pour des soucis d’ergonomie).

Matériel   : - Générateur 6 volt, fils électriques, rail de la place.

Déroulement   : - Raccorder le générateur au rail de la place, mettre la barre mobile

dans le champ magnétique créé par l’aimant puis faire passer du courant dans un sens puis dans l’autre comme pour l’aimant. 

Observations   : - Quand le courant est positif et l’aimant orienté sud-nord, la barre

mobile se déplace vers l’avant.- Quand le courant est négatif et l’aimant orienté sud-nord, la barre

mobile se déplace vers l’arrière.- Quand le courant est positif et l’aimant orienté nord-sud, la barre

mobile se déplace vers l’arrière.- Quand le courant est négatif et l’aimant orienté nord-sud, la barre

mobile se déplace vers l’avant.(voir photos expérience 2 annexe)Conclusion   : En fonction de l’orientation de l’aimant et le sens du courant, la barre mobile se déplace dans un sens ou dans l’autre.

Photo 1 Photo 2

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Photo 3 Photo 4

Sur la photographie numéro 1, le courant est dans le sens normale, ce qui, une fois la connexion faite, fait bouger la barre dans un certain sens, photographie numéro deux.

Sur la photographie numéro 2, le courant est dans le sens inverse, ce qui une fois la connexion faite, fait bouger la barre dans l’autre sens, photographie numéro 4.

VI) Conclusion du dossier

a) Réponse à la problématique Rappel de la problématique :

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« En quoi les microphones et les haut-parleurs sont-ils « opposé » et comment cette opposition de fonctionnement permet de créer un son ou d’en enregistrer un ? »

Réponse   :

Les microphones et les haut-parleurs sont opposés et complémentaire par nature. L’un enregistre le son, l’autre en créé. Le microphone sert donc à enregistrer un son et le haut-parleur à en créer.

- D’après notre dossier, un microphone fonctionne donc par le principe d’induction. Le son fait bouger une membrane ultra sensible qui retranscris le mouvement à un aimant dans une bobine de cuivre qui, par le principe d’induction donc, créé un courant positif ou négatif et d’une intensité différente en fonction des décibels du son enregistré qui est lu par un programme et le retranscris en donnée informatique, voir la loi de Lenz.La qualité du son enregistré dépend de la sensibilité du microphone dans la zone où le son ‘arrive’, représenté par son diagramme polaire. Il existe une multitude de microphone plus ou moins sensible dans telle ou telle zone.

- D’après notre dossier, un haut-parleur fonctionne lui aussi grâce au principe d’induction. Un courant codant le son voulu (intensité, sens), envoyé grâce à un programme informatique vint parcourir une bobine de cuivre dans laquelle se trouve un aimant. En fonction de l’intensité et du sens du courant, grâce au codage, dans la bobine (voir la loi de Lenz), l’aimant bouge plus ou moins vite verticalement et vient retranscrire son mouvement à une membrane sensible qui crée le son voulu.

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