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CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE

Master 2e année - Acoustique

Perception et prise de son

Sabine Meunier

Mail : [email protected] - Tel : 04 91 16 41 75

Philippe Herzog


Jacques Chatron


Perception et prise de son 2009 - 1

Master 2e année - Acoustique

Perception et prise de son

C1 : Physiologie de l’audition

C2 : Propriétés des microphones de mesure

C3 : Perception du niveau (sonie/masquage)

C4 : Perception de la hauteur et de l’espace

C5 : Principes de prise de son

C6 : Perception et mesure physique


Mesure : le poids de l’histoire

Problèmes d’échanges :

- Rome antique : 24 scrupules ≡ 1 once

- Once romaine ≡ 1

12livre

- Once de Paris ≡ 1

16livre

Contrôle de la monnaie :

- Fabrication de "dénéraux" = poids monétaires

- Comparaison des masses par "trébuchets"

Commerce ⇒ "deniers sonnants et trébuchants"


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


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 :

→ XVIIIe : 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


Etalons de mesure

Unité de mesure ⇔ étalons stables et partagés

Evolution → étalons "dématérialisés"


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


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


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 !


Mesures en Acoustique

χs∂tp+−→∇ · −→v = 0

ρ0∂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


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)


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


Choix du principe de transduction

Principalement trois technologies "en lice" (réciproques)

Réponse en fréquence :

Quasi-statique ⇒ bande < fr

Piézoélectrique difficile à amortir (raideur)

Magnéto-XXX ⇒ bande autour de fr

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 Ze basse

Electrostatique ⇒ compromis "sensibilité/résonance"


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


Transduction électrostatique

+ + + + ++ + +

- - - - - - - -

d0

x

E

0

i

U

Condensateur :

- électrode en translation ( !)

- Capacité C = Sε0/d0

-−→E supposé uniforme

Polarisation :

- Charge Q0 constante (electret = "piégées")

- Energie potentielle Ep = Q0 U0/2

Attraction statique :

- Force F0 =C0 U2

0

2d0

- Déflection de la membrane ⇒ limite mécanique


Transduction électrostatique (2)

Petites variations d = d0 + x ou Q = Q0 + q :

Effet "direct" :

- Circuit ouvert : Q = C te

- Variation de tension avec le déplacement

- U = Q0

C0

(1− xd0

)

Effet "inverse" :

- Electrode fixe : d = C te

- Variation de force avec la charge

- F ≈Q2

0

2C0d0

(1 + 2qQ0

)

Mécanisme non-linéaire (quadratique) ⇒ dynamique limitée


Matrice de couplage

f

v

=

0 +E0

jω

− jωE0

0

u

i

Couplage "réciproque" :

- Description limitée au couplage électro-mécanique

- Coefficient E0 = Q0

C0d0

[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)


Schéma de principe

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+1 -2

fL fH

QHdB

log(f)

Limites de réponse :

- Egalisation (tube capillaire) ⇒ fL

- Tension membrane (réglage) ⇒ fH

- Entrefer + perforations électrode ⇒ QH

Caractéristiques interdépendantes : réglage réponse ⇒ mesure sensibilité


Réalisation pratique

Grille de protection (participe à la réponse, cf insertion / source étalon)


Conditionnement

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1

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)


Effet de Charge

Types de microphones ⇔ réglage de membrane selon angles d’incidence


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 Si Sj ⇒ Si

Etalon implicite : charge acoustique de couplage (modèle physique, réalisation)


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")


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


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


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")


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


Où est le "centre acoustique" ?

Invalide (en toute rigueur) le concept de capteur "ponctuel" !


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)


Microphones CCLD

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xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxxxxx

xxxxxxxx

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xxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xx

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xxx

K

+V

0

(coax)

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


Autres microphones

Compromis adaptés à des usages spécifiques - étalonnage ? ? ?


A suivre ...

Questions ?


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