Chapitre 5 : les microphones1 Définitions et classification
1.1 Définition générale
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.
Le microphone (ou micro) est un transducteur électroacoustique : sa fonction est de
transformer une oscillation acoustique (transportant une énergie acoustique) en une
oscillation électrique (transportant une énergie électrique).
C’est le principe inverse du haut-parleur.
1.2 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 où 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.
Reproduit avec
l’aimable
autorisation de
Joseph Herrent
Nous pouvons représenter schématiquement un microphone par les trois « parties » A B C du
dessin ci-dessous :
A L’élément transducteur, caractérisé par le principe physique mis en jeu pour la
transformation d’énergie. Nous verrons que trois grands principes sont utilisés (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, notamment la directivité.
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.
1.3 Classifications des microphones
On peut classer les microphones selon plusieurs critères :
d’après leurs utilisations :
les microphones de service (téléphones et prothèses auditives) pour
lesquels importent l’intelligibilité, la sensibilité, le prix.
les microphones de prise de son (micros de sonorisation, de
radiodiffusion, de studio d’enregistrement) pour lesquels importent la
fidélité, la directivité, la robustesse.
les microphones de mesure (éléments de sonomètre).
d’après le mode de conversion du transducteur :
électrodynamique
électrostatique
piézoélectrique
microphone à charbon
d’après le type de directivité :
micros omnidirectionnels
micros bidirectionnels
micros unidirectionnels (cardioïdes, supercardioïdes ou
hypercardioïdes)
d’après le mode d’action ou mode d’attaque du diaphragme par l’onde
acoustique :
micros à pression
micros à gradient de pression
micros mixtes
2 Caractéristiques des microphones2.1 Sensibilité (ou efficacité) et niveau de sensibilité (ou niveau d’efficacité)
L’efficacité ou la sensibilité en pression s (encore notée Mp) d’un micro est le rapport, à une
fréquence donnée (généralement 1kHz), entre la tension électrique Ueff mesurée en champ
libre aux bornes du micro et la valeur quadratique moyenne de la pression acoustique ( )
appliquée au diaphragme de ce dernier.
C’est pourquoi on qualifie aussi la sensibilité de réponse en pression ; en formule :
p effs M U p= =
p
L’unité de sensibilité est le Volt par Pascal (V/Pa), ou plutôt le millivolt par Pascal (mV/Pa).
Exemple : la sensibilité d'un micro valant 1,5 mV/Pa signifie que 1,5 mV ont été mesurés aux
bornes du micro alors que celui-ci était soumis à une pression acoustique de 94 dB SPL. En
effet, un niveau de 94 dB SPL correspond à une pression de 1 Pa puisque :
La même tension obtenue pour une pression de 1 µbar (correspondant à un niveau de pression
acoustique de 74 dB SPL) s'exprimerait : 1,5mV/(µbar). Cette valeur de tension mesurée pour
une pression 10 fois moindre (10 µbar = 1 Pa) implique donc que le micro est 10 fois plus
sensible.
2.1.1 Définitions
6
0
120log 20log 94dB
20.10p
pL
p−
= = =
On utilise également la sensibilité relative ou niveau de sensibilité LM (ou LS):
où Mréf est une sensibilité de référence.
20logM
réf
ML
M=
Clairement, d’après la définition, plus la sensibilité s (ou le niveau LS) est faible, moins le
microphone est sensible (puisqu’ une pression acoustique donnée produit alors une tension
plus faible aux bornes du micro).
( )( ) 20log 20log 20log
. ( )
eff eff
S
réf réf
U U VsL dBV
s p s p Pa= = =
Par exemple, un microphone possédant une sensibilité de 10 mV/Pa pour une fréquence de
1 000 Hz a un niveau de sensibilité égal à LS=20.log10.10-3=-40 dBV.
Remarque : on peut aussi choisir comme référence une tension de 0,775 V et définir le
niveau de sensibilité ou d’efficacité du micro LS (en dBm ou dBu) par :
( )( ) 20log
0,775. ( )
eff
S
U VL dBm
p Pa=
La notation européenne a adopté le « dBu », ce qui correspond à une tension de référence
égale à 0,775 V, les Américains ont préféré fixer leur référence de tension à 1 V, ce qui donne
la notation « dBV ».
Par exemple, on définit le niveau de sensibilité ou d’efficacité LS (en dBV) en choisissant une
sensibilité de référence sréf de 1V/Pa :
Une valeur exprimée en dBu/ Pa ou dBV/ Pa permet donc de retrouver la tension Ueff que le
micro délivre lorsqu'il est soumis à un signal de 1kHz à une pression de 1 Pa.
/ 20 / 20. .10 .10S SL L
eff ref refU p s U= =
Puisque le niveau de pression acoustique vaut :5
0
20log 20log 20log 942.10
p
p pL p
p−
= = = +
le niveau de sensibilité vaut :
( ) 20log.
20log 20log 20log1 /
20log 94
eff
S
ref
eff
eff p
UL dBV
p s
U p V Pa
U L
=
= − −
= − +
2.1.2 Ordre de grandeur de la sensibilité des micros
un micro très sensible a un niveau LS ≅ -20dBV
un micro sensible a un niveau LS ≅ -40dBV
un micro peu sensible a un niveau LS ≅ -60dBV
Un micro très sensible, de niveau LS=-20dBV, produira une tension efficace Ueff de 1 V pour
une pression acoustique efficace de 10 Pa, alors qu’un micro peu sensible, de niveau LS=-
60dBV, produira une tension Ueff de 1 V pour une pression acoustique efficace de 1 000 Pa.
Les microphones électrostatiques sont les plus sensibles, viennent ensuite les microphones
dynamiques et enfin les microphones à ruban qui restent les moins sensibles.
2.2 Courbe de réponse en sensibilité et bande passante d’un micro
Comme on l’a dit, la sensibilité d’un micro est fonction de la fréquence.
La courbe de réponse en sensibilité d’un microphone est la courbe représentant la variation
de la sensibilité (ou plus souvent du niveau de sensibilité) en fonction de la fréquence du son.
La mesure est faite dans l’axe du micro, en champ libre (source libre) ou en champ diffus
(source directe et champ réverbéré). On fixe généralement la référence 0 dB par rapport à la
valeur mesurée à 1 000 Hz.
La courbe théorique idéale serait bien sûr une droite horizontale (le micro répond avec la
même sensibilité à toutes les fréquences).
En pratique, on obtient une courbe qui a l’allure suivante :
On détermine à partir de cette courbe la bande passante du microphone comme étant la
bande de fréquence dans laquelle la variation de niveau est inférieure à une limite (par
exemple fixée à ±3 dB ou encore ±5 dB).
Plus la courbe de réponse se rapproche d’une droite horizontale, plus la bande passante
est large.
Exemples de courbes de réponse en sensibilité de plusieurs
micros Shure, de directivités différentes.
2.3 directivité et diagramme polaire
Le diagramme de directivité donne en général s(θ)/s0 ou M(θ)/M0 ou le niveau LS ou LM (l'axe
de référence étant aussi l'axe du lobe principal (efficacité maximale).
Définition : la directivité d’un microphone est la variation de M (ou de LM) avec l'incidence,
soit d'une onde plane, soit d'une onde sphérique (selon le microphone), l'axe de référence
étant l'axe de symétrie du microphone.
En dehors de la réponse en fréquence et de la sensibilité, une autre caractéristique des
microphones qu'il importe de prendre en compte est leur directivité.
Lorsque nous avons vu la sensibilité, nous avons noté que la mesure se faisait dans l'axe pour
1 kHz. Mais les microphones ne sont pas sensibles de la même manière dans toutes les
directions. Cela signifie que certains sons parvenant à la capsule du microphone seront plus
ou moins atténués en fonction de l'angle d'incidence mais aussi de la fréquence de ce signal.
Il est d'usage de représenter les courbes de sensibilité dans un diagramme polaire où la
capsule du micro se situe au centre de cercles concentriques représentant chacun un niveau
en dB.
On peut ainsi classer les microphones en fonction de leur directivité dans des « familles » de
directivité.
Le diagramme polaire (ou directionnel) représente la variation de la sensibilité ou du niveau
de sensibilité mesurée en champ libre, à une fréquence donnée, en fonction de l’angle
d’incidence (mesuré par rapport à un axe de référence, choisi perpendiculaire au diaphragme
du micro, et dirigé vers l’extérieur).
Sur le diagramme, chaque courbe fermée décrit la diminution du niveau de sensibilité par
rapport à la valeur axiale du niveau, en fonction de l’angle d’incidence, pour une fréquence
fixée. Pour lire la baisse de niveau par rapport à la valeur axiale, pour une fréquence et un
angle fixé, il faut s’aider des cercles gradués concentriques (cf. indicatrices d’intensités
lumineuses en photométrie).
Sur l’exemple, on voit que ce micro (un microphone à pression) est d’autant plus
omnidirectionnel (la courbe est d’autant plus proche d’un cercle) que la fréquence est basse.
On définit plusieurs types de directivité théorique selon l’allure générale du diagramme
polaire, représentant le rapport de la sensibilité sθ dans une direction donnée (angle θ) à la
sensibilité s0 dans l’axe du micro (θ=0) ; on montre théoriquement qu’en général, la
sensibilité des micros peut être mise sous la forme théorique :
( )1
0
( )(1 cos ) cos
ns
s
θβ β θ θ
−= − +
où β est un nombre compris entre 0 et 1 qui conditionne les caractéristiques directionnelles
(c’est-à-dire la forme) des diagrammes, et n est un entier positif qui détermine l’ordre de la
directivité.
Ainsi, suivant les valeurs de β et de n, un microphone est :
omnidirectionnel si β=0 et n=1
0
( )1
s
s
θ=
Les micros omnidirectionnels captent le signal de la même manière dans toutes les directions,
c'est-à-dire quelle que soit la situation spatiale de la source par rapport à la capsule du micro.
La courbe polaire des micros omnidirectionnels pour 1 kHz correspond à un diagramme
polaire en cercle. C'est pourquoi les microphones omnidirectionnels portent un cercle
miniature sérigraphié à proximité de la capsule afin de renseigner l'utilisateur sur la directivité
du micro.
Par exemple, le diagramme polaire des micros capteurs de pression se présente ainsi :
On note que les hautes fréquences subissent
une atténuation non négligeable en dehors de
l'axe (repéré par le 0° sur le diagramme)
d'autant plus prononcée que la fréquence
augmente.
Ceci est dû aux diffractions qui interviennent
dès lors que les longueurs d'ondes incidentes
sont proches des dimensions de la capsule.
bidirectionnel d’ordre n si β=1 :
( )0
( )cos
ns
s
θθ=
Le diagramme bidirectionnel d’ordre 1 a la forme :
Le diagramme bidirectionnel d’ordre 2 a la forme :
0
( )cos
s
s
θθ=
2
0
( )cos
s
s
θθ=
Il s'agit généralement des microphones à ruban, qui naturellement présentent un diagramme
polaire en forme de « 8 ». Il fait apparaître deux lobes en opposition de phase, centrés sur la
capsule de part et d'autre des deux faces du ruban.
Le diagramme suivant est typique d'un capteur à gradient de pression comme le microphone
à ruban. On retrouve logiquement une sortie de signal nulle pour une onde incidente à 90°
(ou 270°), c'est-à-dire parallèle au plan du ruban.
Ce type de microphone est employé conjointement
avec un microphone cardioïde pour la prise de son
dite « MS ».
Les capsules bi-directionnelles portent une
sérigraphie représentant le signe « ∞ ».
unidirectionnel d’ordre n si 0<β<1
On s’intéresse particulièrement à quelques valeurs particulières de β :
le microphone est cardioïde si β=1/2
cardioïde d’ordre 1 cardioïde d’ordre 2
0
( ) 1 1cos
2 2
s
s
θθ= + ( )
2
0
( ) 1 1cos cos
2 2
s
s
θθ θ= +
Le diagramme polaire des microphones cardioïdes a une forme de cœur d'où l'appellation
cardioïde.
Courbe cardioïde, échelle linéaire,
l'axe horizontal est celui de la
capsule, tournée vers la droite Courbe de directivité cardioïde, échelle
logarithmique
La courbe au trait plein sur la partie gauche
du diagramme correspond aux mesures
réalisées pour 1 kHz, ce qui correspond aussi
au modèle théorique.
Il est très difficile de l'obtenir simultanément
pour toutes les fréquences.
On relève que les tracés s'écartent beaucoup
de la courbe cardioïde théorique lorsque la
fréquence augmente.
Ce sont des labyrinthes acoustiques situés
derrière la membrane qui réalisent l'addition
des réponses omnidirectionnelles et bi-
directionnelles.
Un exemple de micro cardioïde :
le microphone est supercardioïde si β=2/3
supercardioïde d’ordre 1 supercardioïde d’ordre 2
0
( ) 1 2cos
3 3
s
s
θθ= + ( )
2
0
( ) 1 2cos cos
3 3
s
s
θθ θ= +
Courbe de directivité supercardioïde,
échelle logarithmique
le microphone est hypercardioïde si β=3/4
hypercardioïde d’ordre 1 hypercardioïde d’ordre 2
0
( ) 1 3cos
4 4
s
s
θθ= + ( )
2
0
( ) 1 3cos cos
4 4
s
s
θθ θ= +
C'est la combinaison d'une réponse omnidirectionnelle atténuée de 6 dB et d'une réponse bi-
directionnelle.
Courbe de directivité hypercardioïde,
échelle logarithmique
Comme pour la réponse cardioïde, la réponse
hypercardioïde est obtenue à l'aide labyrinthes
acoustiques disposés au niveau de la face
arrière de la membrane. Le comportement des
microphones hypercardioïdes à l'usage se
rapproche beaucoup de la réponse théorique.
C'est aussi le microphone qui a la directivité la
plus prononcée vers l'avant : le rapport de
niveau sonore entre le signal capté dans l'axe
et en dehors est très grand, ce qui permet
d'éliminer les sons environnants une source
sonore vers laquelle pointe le micro.
2.4 Sensibilité en champ diffus, facteur de directivité
Pour des ondes planes non corrélées (énergies additives) venant de toutes les directions, on
est amené à introduire la sensibilité en champ diffus par une sommation sur l'angle solide :
Pour un signal constitué d'une onde plane incidente selon l'axe de référence du microphone
et en présence d'un bruit diffus, le rapport signal sur bruit (rapport des puissances) est donné
par :
Définition : on appelle facteur de directivité la quantité ∆ précédente et indice de directivité
la quantité L∆ donnée par :
Exemple : calculons le facteur de directivité et l'indice de directivité pour un micro cardioïde
d'ordre 1.
d'où ∆ = 3 et L∆ = 10Log3 = 4,8dB. On a un gain de 4,8dB pour un signal dans l'axe en présence
d'un bruit diffus en utilisant un cardioïde au lieu d'un omnidirectionnel.
2.5 Directivité des micros et plans sonores
Lorsqu’on mesure l’intensité acoustique produite
par une source dans une salle close, on constate
en s’éloignant de la source que l’intensité décroît
d’abord, jusqu’à une distance (appelée distance
critique) à partir de laquelle elle reste constante.
Nous verrons en acoustique architecturale que ce
phénomène s’explique par la superposition dans la
salle d’un champ libre d’intensité Id (son direct de
la source) et d’un champ diffus d’intensité Ir (son
réverbéré).
Selon l’endroit de la salle où est placé le micro lors d’une prise de son, on parle :
de plan sonore proche (ou gros plan) si Id > Ir
de plan sonore moyen si Id ≅ Ir
de plan sonore lointain (ou plan lointain) si Id < Ir
Lors d’une prise de son, l’utilisation d’un micro directionnel plutôt qu’omnidirectionnel
permet d’augmenter cette distance critique (on reste en champ libre plus loin de la source),
en diminuant le pourcentage de l’intensité réverbérée captée par rapport à l’intensité
directe : on dit alors que la grosseur de plan augmente ; un micro directionnel augmente la
grosseur du plan sonore.
Type de micro Facteur de
distance d
omnidirectionnel 1
Bidirectionnel
d’ordre 1
1,7
Cardioïde d’ordre 1 1,7
Cardioïde d’ordre 2 2,8
Supercardioïde
d’ordre 1
1,9
Hypercardioïde
d’ordre 1
2
Par exemple, on obtient donc la même grosseur de plan avec un micro omnidirectionnel
placé à 2m et avec un micro hypercardioïde d’ordre 1 placé à 2×2=4m.
On attribue à chaque microphone directionnel un facteur de distance d : le facteur de
distance d’un micro directionnel est la valeur par laquelle on peut multiplier la distance entre
la source et un micro omnidirectionnel pour obtenir la même grosseur de plan avec le
microscope directionnel qu’avec le micro omnidirectionnel.
2.6 Impédance et adaptation
L'impédance d'un microphone est la valeur de sa résistance interne propre au système de
transduction. L’impédance s’exprime en Ohm.
Cette résistance est inévitable. En effet, la tension délivrée par un microphone en réponse à un
signal acoustique n’est en général pas suffisante pour piloter un haut-parleur : l'utilisation du
microphone implique toujours une connexion en série à un étage électronique de pré
amplification du signal. Que ce soit une table de mixage ou un amplificateur, ces appareils
présentent toujours une impédance de charge Rch (cf. plus haut, définition électrotechnique).
En série, la tension E se divise en une tension interne aux bornes de Ri (égale à I.Ri) et une
tension aux bornes de l’ampli (égale à I.Rch). L’impédance du micro doit être la plus petite
possible, pour que la tension aux bornes de l’ampli soit la plus grande possible.
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.
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. On distingue :
Les microphones à haute impédance :
Ce sont les microphones dits « amateurs » dont l’impédance est d’environ 50 000 ohms (50
kΩ). Ce type de microphone n’admet que des câbles de liaison très courts (3 à 4 mètres
maximum). Au-delà, il résulte des pertes importantes aux fréquences élevées.
Les microphones à basse impédance :
Ce sont les microphones professionnels dont l’impédance est inférieure à 600 ohms (en
général 200 ohms). Ils permettent des liaisons de très grandes longueurs (100 mètres et plus).
3 Modes d’action acoustique et types de conversion des microphones
Pour traduire une onde acoustique en signal électrique, l’onde acoustique va tout d’abord
mettre en oscillation mécanique la membrane diaphragme du micro.
Sur le plan mécanique, la membrane diaphragme est donc un oscillateur mécanique forcé
par l’onde acoustique.
Par le choix d'un mode d'action acoustique approprié (action en pression ou en gradient de
pression), on parvient à réaliser une directivité donnée.
En combinant un contrôle mécanique approprié avec un type de conversion (conversion en
vitesse ou en élongation), on règle la bande passante.
3.1 Modes d’action acoustique
Le diaphragme étant soumis à une force Fd, Zmt étant l'impédance mécanique totale qu'il voit,
la vitesse vd que prend le diaphragme est :
La pression acoustique peut s’exercer sur le diaphragme d’un micro suivant différents modes
d’action ou modes d’attaque du diaphragme :
mode d’action en pression : la pression acoustique ne s’exerce que sur une face du
diaphragme.
mode d’action en gradient de pression : la pression acoustique s’exerce directement sur les
deux faces du diaphragme
mode d’action mixte : la pression acoustique s’exerce directement sur la face avant et via
un système retardateur sur la face arrière du diaphragme.
3.2 Types de conversion
Une fois la membrane du microphone en oscillation, on observe également deux types de
conversion électromécanique suivant le principe physique mis en jeu pour la conversion de la
pression acoustique en une tension électrique équivalente (le mode de conversion dépend du
type de transducteur utilisé):
les microphones à conversion en vitesse, pour lesquels la valeur quadratique moyenne de
la tension de sortie en circuit ouvert est proportionnelle à la valeur quadratique moyenne de
la vitesse du diaphragme :
où kv est le coefficient de proportionnalité en vitesse, qui s’exprime en V.s/m.
Les microphones électrodynamiques et électromagnétiques sont de ce type.
les microphones à conversion en élongation, pour lesquels la valeur quadratique moyenne
de la tension de sortie en circuit ouvert est proportionnelle à la valeur quadratique moyenne
de l’élongation du diaphragme :
où kx est le coefficient de proportionnalité en élongation, qui s’exprime en V/m.
Les microphones électrostatiques et piézoélectriques sont de ce type
eff vU U k v= =
eff xU U k x= =
3.1 Microphones à pression
Ces microphones comportent un diaphragme qui ne peut être attaqué que sur une de ses
faces par les ondes acoustiques.
Ce diaphragme est mis en mouvement par une force due à la pression acoustique
instantanée.
3.1.1 Principe de fonctionnement
.F p S=
Si le diaphragme ferme un boitier
rigide à l’intérieur duquel la pression
est maintenue constante, l’onde
incidente ne peut agir que sur une
seule face.
Un petit trou d’égalisation est prévu
dans la capsule rigide du micro afin
de permettre l’égalisation de la
pression statique. Le débit de l’air
passant par ce trou doit être
négligeable.
Si S est la surface du diaphragme et p la pression acoustique instantanée, la force agissante
F est (du moins tant que la fréquence n'est pas trop élevée afin que la pression acoustique
reste en phase en chaque point de la face avant) :
Membrane
Suspension
Suspension
Boîtier
Trou de
décom-
pression
Surpression
p0
101325 Pa
Dépression
Onde
sonore
Microphone à pression : mouvement de la membrane
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
Membrane
Suspension
Suspension
Boîtier
Trou de
décom-
pression
Surpression
p0
101325 Pa
Dépression
Onde
sonore
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Membrane
Suspension
Suspension
Boîtier
Trou de
décom-
pression
Surpression
p0
101325 Pa
Dépression
Onde
sonore
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
Ce type de micro n’est pas directif mais omnidirectionnel (comme la pression est une
grandeur scalaire) : son diagramme polaire est circulaire.
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
Toutefois, à cause des phénomènes de diffraction, il devient directif à partir d’une fréquence
seuil, d’autant plus élevée que les dimensions du microphone sont petites.
Plus précisément, le micro sera directif pour les ondes sonores dont les longueurs d’onde
seront telles que :
Par contre, la sensibilité augmente avec l’accroissement de la surface du diaphragme (et donc
avec les dimensions du micro). Il faut donc trouver un compromis entre diffraction et
sensibilité.
2dλ <
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
3.1.2 Types de conversion
3.1.2.a conversion en vitesse
On peut établir l’équation donnant la tension de sortie du micro ; en effet, par définition :
.vU k v=Comme un microphone est un résonateur mécanique forcé, la vitesse du diaphragme est
égale au rapport de la force externe appliquée et de l’impédance mécanique du système :
m
Fv
Z=
La tension en sortie du micro vaut donc :
v
m
k SU p
Z=
Comme la sensibilité du micro est par définition le rapport tension de sortie sur pression
(U/p), on trouve donc pour ce type de micro :
v
m
k Ss
Z=
Pour que cette sensibilité soit indépendante de la fréquence f du son dans la largeur de
bande d’utilisation, l’impédance Zm doit être indépendante de la fréquence ; le système
d’oscillation forcée doit donc être dominé par le frottement (f) :
mZ f≈
Résumé :
Le microphone à pression et à conversion en vitesse doit être contrôlé par le frottement pour
que le micro ait une courbe de réponse linéaire.
La fréquence de résonance f0 doit être placée au milieu géométrique de bande.
La vitesse du diaphragme et donc la tension électrique sont en phase avec la pression
acoustique.
La formule générale de l’impédance implique que ω ≅ ω0 et donc que la fréquence de
résonance f0 soit placée au milieu géométrique de bande :
Comme ω ≅ ω0 la vitesse du diaphragme (et donc la tension électrique) est donc en phase avec
la pression acoustique.
0 i ff f f≈
3.1.2.b conversion en élongation
Par définition, la tension de sortie vaut :
Comme l’élongation est liée à la vitesse par la relation vm=xm.ω, la valeur quadratique de
l’élongation vaut :
xU k x=
m
v Fx
Zω ω= =
La tension de sortie du microphone vaut donc :
.x
m
k SU p s p
Z ω
= =
Pour que la sensibilité s soit indépendante de la fréquence f du son dans la largeur de bande
d’utilisation, il faut que l’impédance mécanique soit inversement proportionnelle à la
fréquence (ou à la pulsation ω). Le système doit donc être dominé par l’élasticité ou
compliance Cm (inverse de la raideur k) :
1m
m
kZ
Cω ω≈ =
La formule générale de l’impédance implique que :
et donc que la fréquence de résonance f0 soit placée à la limite supérieure de la largeur de
bande.
Comme ω<ω0, la vitesse du diaphragme est donc en quadrature avant par rapport à la
pression acoustique. L’élongation, et la tension sont en phase avec la pression acoustique.
0 ff f≈
2 2
0
1. et donc
.m
mC
ω ω ωω
>> >>
Résumé :
Le microphone à pression et à conversion en élongation doit être contrôlé par la
compliance pour que le micro ait une courbe de réponse linéaire.
La fréquence de résonance f0 doit être placée à la limite supérieure de la largeur de
bande.
La vitesse du diaphragme est en quadrature avant par rapport à la pression acoustique.
L’élongation, et la tension sont en phase avec la pression acoustique.
3.2 Microphones à gradient de pression
Ces microphones comportent un diaphragme qui peut être abordé sur ses deux faces par les
ondes acoustiques.
La pression acoustique moyenne est identique sur les deux faces, mais la pression acoustique
instantanée y est différente.
Il s’ensuit une mise en mouvement du diaphragme sous l’action d’une force externe résultant
du gradient de pression acoustique entre les deux faces.
3.2.1 Principe de fonctionnement
Membrane
Suspension Support
Onde sonore
Source sonore
Détour acoustique
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
Microphone à gradient de pression : mise en mouvement de la membrane
En incidence normale, l’onde qui agit sur la deuxième face doit contourner le diaphragme, et
il existe donc une différence de marche d=∆x entre les deux faces.
Par conséquent, la pression instantanée qui agit sur les deux faces n’est pas en phase avec
celle qui agit sur la première face. Le déphasage vaut :
2x k x
πϕ
λ∆ = ∆ = ∆
Reproduit avec l’aimable
autorisation de Joseph
Herrent
La force instantanée qui agit sur le diaphragme de surface S est donc :
( , )
( ) ( ( ) ( )) . . .
comme ( ) ( )
av
av
inst av ar
x x t
x ar x av
x
pF t p t p t S S p S x
x
pp t p t x
x
=
= =
∂= − = − ∆ ≈ − ∆
∂
∂= + ∆
∂
où la dernière équation est une approximation valable si la différence de marche ∆x est
négligeable (par rapport à la distance source-micro par exemple).
La force instantanée est donc proportionnelle au gradient spatial de pression :p
x
∂
∂
Le gradient spatial de pression peut se calculer à l’aide de la relation donnant l’évolution de
la pression acoustique en fonction de l’espace et du temps, par exemple pour une onde
acoustique harmonique :( , ) cos( )mp x t p t kxω= −
Donc, sin( )m
p k pp k t kx
x tω
ω
∂ ∂= − = −
∂ ∂
Et la force instantanée vaut :
2 2( ) puisque
.inst
p k p S x pF t S x S x k
x t c t c T c
π π ω
ω λ
∂ ∂ ∆ ∂= − ∆ = ∆ = = = =
∂ ∂ ∂
On voit que la force instantanée est proportionnelle au
gradient temporel de pression, c’est-à-dire à la vitesse de
variation de la pression (ce qui justifie le nom de ce type
de microphones, aussi appelés microphones à vitesse).
Pour une position quelconque de la source (dans la direction θ par rapport à l’axe du micro), le
déphasage vaut :
( ) cosx xθ θ∆ = ∆
Pour une incidence quelconque, la force instantanée vaut donc :
. cos( )inst
x S pF t
c t
θ∆ ∂=
∂
Remarque :
L’angle d’incidence de l’onde par rapport au diaphragme modifie l’intensité de la force ; cette
intensité est maximale pour une incidence normale, nulle pour une incidence rasante, et
donc l’intensité de la force est proportionnelle au cosinus de l’angle d’incidence.
La force quadratique moyenne vaut donc :
puisque :
Elle est donc proportionnelle à la pression quadratique moyenne et à la pulsation.
La force externe utile est donc :
proportionnelle à cos θ et le diagramme de directivité est donc bidirectionnel ; le
microphone à gradient de pression est bidirectionnel
proportionnelle à S.∆x, et donc au volume balayé par le diaphragme (comme pour le micro
à pression, il faut donc réaliser ici aussi un compromis entre sensibilité et diffraction)
proportionnelle à ω et donc à la fréquence f. C’est ce qui explique que l’on observe une
pente de 6 dB/octave pour la réponse de ce type de micro en fréquence (sauf pour des
fréquences trop basses ou trop hautes).
. cosx SF p
c
ω θ∆= ( )sinm
pp t kx
tω ω
∂= − −
∂
0°
90°
270°
Diagramme polaire
180°
( ) .av arF p p S= −
Corps du
micro
θ
Le micro à gradient de
pression est
bidirectionnel
Directionnalité du microphone à gradient de pression
(cos )F f θ=
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
3.2.2 Types de conversion
3.2.2.a conversion en vitesse
On a donc, pour une conversion en vitesse :
.vU k v=
Comme un microphone est un résonateur mécanique forcé, la vitesse du diaphragme est
égale au rapport de la force appliquée et de l’impédance mécanique du système :
m
Fv
Z=
La tension en sortie du micro vaut donc :
v
m
kU F
Z=
Comme la sensibilité s du micro est par définition le rapport tension de sortie sur pression
(U/p), on trouve donc pour ce type de micro :
. . . .cos
.
v
m
k S xs
Z c
ω θ∆=
Pour que la sensibilité soit indépendante de la fréquence f du son, le système doit être
contrôlé par la masse afin que l’impédance mécanique soit proportionnelle à la fréquence :
.m
Z mω≈
La formule générale de l’impédance implique :
c’est-à-dire que sa fréquence de résonance f0 soit placée à la limite inférieure de la largeur de
bande :
Comme ω>ω0 la vitesse du diaphragme (et donc la tension électrique) est en quadrature
retard par rapport à la pression acoustique.
2 2
0
1. et donc
.m
mC
ω ω ωω
>> <<
0 if f≈
Résumé :
Le microphone a gradient de pression et à conversion en vitesse doit être contrôlé par la
masse pour que le micro ait une courbe de réponse linéaire.
Sa fréquence de résonance f0 doit être placée à la limite inférieure de la largeur de bande.
La vitesse du diaphragme (et donc la tension électrique) est en quadrature retard par
rapport à la pression acoustique.
3.2.2.b conversion en élongation
Par définition de la conversion en élongation, la tension de sortie vaut :
Comme l’élongation est liée à la vitesse par la relation vm=xm.ω, la valeur quadratique de
l’élongation vaut :
xU k x=
La tension de sortie du microphone vaut donc :
. . . .cos . . .cos. .
. . .
x x
m m
k S x k S xU p p s p
Z c Z c
ω θ θ
ω
∆ ∆= = =
Pour que la sensibilité s soit indépendante de la fréquence dans la largeur de bande
d’utilisation, il faut que l’impédance mécanique Zm soit indépendante de la fréquence.
Le système doit donc être dominé par le frottement (f) :
m
v Fx
Zω ω= =
mZ f≈
Ceci implique que ω ≅ ω0 et donc que sa fréquence de résonance f0 soit placée au milieu
géométrique de la largeur de bande :
Comme ω ≅ ω0 la vitesse du diaphragme est donc en phase avec la pression acoustique et
l’élongation et la tension électrique sont en quadrature retard avec la pression acoustique.
0 i ff f f≈
Résumé :
Le microphone à gradient de pression et à conversion en élongation est contrôlé par le
frottement pour que le micro ait une courbe de réponse linéaire.
Sa fréquence de résonance f0 soit placée au milieu géométrique de la largeur de bande
La vitesse du diaphragme est en phase avec la pression acoustique ; l’élongation et la
tension électrique sont en quadrature retard avec la pression acoustique.
3.2.3 Effet de proximité pour le micro à gradient de pression
Les microphones sont généralement placés à une distance des sources telle que l’on peut
considérer que le champ acoustique est formé d’ondes planes.
Dans ce cas, l’intensité acoustique et donc la pression acoustique, sont indépendantes de la
distance à la source.
Si le microphone est placé trop près de la source, le champ acoustique est formé d’ondes
sphériques, et la pression acoustique captée est inversement proportionnelle à la distance
microphone-source.
L’intensité acoustique est alors inversement proportionnelle au carré de cette distance. La
force exercée sur le diaphragme sera différente en prise de son rapprochée : c’est l’effet de
proximité.
L’effet est surtout marqué pour les micros à gradient de pression.
Dans le cas d’un micro à gradient de pression, en prise de son rapprochée, la différence de
marche peut ne plus être négligeable par rapport à la distance source-diaphragme.
Les grandeurs des pressions devant et derrière le diaphragme deviennent alors différentes :
en plus du déphasage entre la pression pav devant le diaphragme et la pression par derrière le
diaphragme, il y a donc une différence de grandeur entre ces pressions, qui n’existe pas en
prise de son à distance.
En effet, à proximité de la source, la pression résultante, compte tenu de l’atténuation vaut :
Au niveau des pressions acoustiques efficaces, on montre que l’on a la relation :
où plointain représente la pression acoustique dans l’hypothèse « plan lointain ».
La force quadratique moyenne peut alors s’écrire :
La force utile n’est donc plus proportionnelle à la fréquence (comme en prise de son à
distance) mais elle est de plus inversement proportionnelle à la distance source/micro r.
Il s’ensuit donc une élévation de niveau sonore due à l’effet de proximité telle que :
( ) cos cosrés
A A xp t t t
r r x cω ω
∆ = − −
+ ∆
( )proche lointain lointain2
1 1. 1 .
.p p p
krk r= +
( )proche lointain 2
110log 1
P PL L
kr
= + +
. .cosx SF p
r
θ∆≈
On peut montrer que l’effet de proximité se manifeste lorsque le microphone se trouve à une
distance r de la source inférieure à λ/2π=1/k.
Au-delà d’une distance de prise de son r supérieure à λ/2π (prise de son à distance), l’onde
peut donc être considérée comme plane et la force utile est proportionnelle à la fréquence et
indépendante de la distance r:
Pour une distance de prise de son fixée, notée d, il existe donc une fréquence de transition f,
donnée par :
comme 22
cf d
dλ π
π= =
En dessous de cette fréquence de
transition, la force utile est
indépendante de la fréquence,
tandis qu’au-dessus de cette
fréquence de transition, la force
utile est proportionnelle à la
fréquence.
Si l’on gradue l’axe des abscisses en octaves et l’axe des ordonnées en dB, la pente de la partie
rectiligne (où il y a proportionnalité entre force et fréquence) est de 6dB/octave.
Remarque :
Pour une prise de son de « parole », le micro est situé entre 30 et 50 cm du locuteur, et l’effet
de proximité n’est sensible qu’aux très basses fréquences (puisque la fréquence de transition
vaut alors f=c/2πd ≅ 108 Hz à 180 Hz).
Mais si un chanteur « mange » son micro, d diminue, l’effet de proximité devient perceptible
pour les fréquences plus élevées (par exemple, à 10 cm, la fréquence de transition vaut 541
Hz).
L’effet de proximité provoque donc un renforcement des basses fréquences, et se manifeste
donc surtout pour une distance de captation petite : le son capté est plus « chaud ».
Reproduit avec
l’aimable
autorisation de
Joseph Herrent
Mise en évidence de l’effet de
proximité par élévation du
niveau sonore dans les basses
fréquences, pour différents
placements de micros.
Courbes de réponse dans l’axe
d’un micro supercardioïde
spécialisé dans la prise de son
de grosse caisse de batterie.
L’effet de proximité est ici utilisé
de manière à renforcer le
registre grave. Plus la distance
du micro est faible, plus
l’accentuation se fait sentir.
Pente : 6 dB/octave
Détour de 24 mm :
fréquence de
coupure de 14 kHz
Pour une différence de marche ∆x= λ, la pression résultante sur le diaphragme est nulle :
cette fréquence ne passe pas. On parle de fréquence de coupure. De même, les fréquences
multiples ne passeront pas non plus. Pour que le micro reste efficace dans le domaine de
sensibilité de l'oreille, il faut donc choisir un détour assez court : à 14 kHz, la longueur d'onde
de coupure λ correspond à un détour ∆x de 24 mm. A cette longueur d’onde, le micro est
complètement sourd, comme le montre le diagramme ci-dessous. Il montre aussi un
accroissement de 6 dB/octave du gradient de pression, qui montre que le gradient de
pression (et donc la force utile) est proportionnelle à la fréquence : le micro sera donc
construit pour compenser cet accroissement de sensibilité et avoir une courbe de réponse
linéaire.
3.2.4 bande passante du micro à gradient de pression
3.3 Microphones à mode d’action mixte : microphones à déphasage
On a vu que le micro à gradient de pression est bidirectionnel.
Si on intercale sur l’accès arrière d’un microphone à gradient de pression un système
déphaseur afin de contrôler le retard de l’onde sonore attaquant la face arrière du
diaphragme, on peut obtenir toutes les combinaisons directionnelles désirées.
On peut montrer qu’en plus du déphasage ∆ϕ1 provoqué par la différence de marche ∆x cosθentre la face avant et la face arrière, le circuit déphaseur provoque un déphasage
supplémentaire ∆ϕ2 entre les pressions acoustiques devant et derrière le diaphragme ; le
déphasage total est la somme ∆ϕ1 + ∆ϕ2 :
1 2 1 2
2 . .cos . 1 avec .cos et
x xx
c c
π ω θ ω βϕ ϕ ϕ ϕ θ ϕ
λ β
∆ ∆ −∆ = ∆ + ∆ ∆ = ∆ = ∆ =
où β est un nombre compris entre 0 et 1 qui détermine les caractéristiques directionnelles du
diagramme polaire. Par exemple,
ββββ ∆ϕ∆ϕ∆ϕ∆ϕ2∆ϕ∆ϕ∆ϕ∆ϕ type
0 ∞ ∞ omnidirectionnel
1/2 ω∆x/c (ω∆x/c)(1+cosθ) cardioïde
1 0 (ω∆x/c)(cosθ) bidirectionnel
En associant une directivité omnidirectionnelle (captation de pression pure) et une directivité
bidirectionnelle (captation à gradient de pression pure), on peut obtenir une sensibilité
maximale pour une direction et minimale pour une autre. C'est de cette manière que l'on
constitue les diverses autres directivités : hypocardioïde, cardioïde, supercardioïde et
hypercardioïde.
Cela peut se représenter par l'addition vectorielle point par point des figures du cercle (omni)
et du huit (bidirectionnel).
Reproduit avec
l’aimable autorisation
de Joseph Herrent
Reproduit avec l’aimable autorisation de Joseph Herrent
Pratiquement, cela se réalise en plaçant la membrane dans un boîtier semi-ouvert. De cette
manière, l'onde arrière parvient aux deux faces de la membrane par un chemin de même
longueur, grâce à un retard acoustique créé par un labyrinthe. Il y a donc, pour un angle
d'incidence de 180°, annulation. On obtient donc un diagramme cardioïde.
4 Types de microphones4.1 Microphone électrodynamique à bobine mobile
Le microphone à bobine mobile est constitué d’un
diaphragme très mince (la membrane) et très léger
solidaire de la bobine, formée de fils de cuivre (pour
une longueur totale l de 2 à 4 m), qui est aussi la
plus légère possible et qui se déplace dans l’entrefer
d’un aimant permanent fixe dont l’induction vaut
environ un tesla. Trou
4.1.1 Description et principe de fonctionnement
(en V) (en T) (en m) (en m/s). .U B l v=
Puisque la tension est proportionnelle à la vitesse de vibration du diaphragme, le système
est à conversion en vitesse.
Si le diaphragme ferme un boîtier rigide, le système est à pression et donc omnidirectionnel.
Le microphone électrodynamique à bobine, à pression et à conversion en vitesse, doit donc
être dominé par le terme d’amortissement (frottement).
Le frottement provient de la grille avant, ainsi que d’un anneau en feutre situé derrière le
diaphragme.
Pour que le système soit dominé par le frottement, la fréquence de résonance est placée au
milieu de la bande d’utilisation.
L’onde acoustique à proximité de la membrane consistant en une succession de pression et de
dépression, la membrane effectue un déplacement de va-et-vient autour de sa position
d'équilibre ; le son, en faisant vibrer la membrane, anime donc la bobine solidaire de la
membrane d’un mouvement oscillant, ce qui provoque l’apparition d’une tension
électromotrice oscillante par le phénomène d’induction (car le bobinage se déplace dans
l'entrefer d'un aimant permanent) ; du fait de l’oscillation, le courant induit change de sens,
par conséquent le signal de tension généré est alternatif. De plus la tension U est
proportionnelle à la vitesse du déplacement, conformément à la loi d’induction de Lenz :
4.1.2 Caractéristiques générales du microphone électrodynamique à bobine
Il est omnidirectionnel (comme micro à pression)
Sensibilité faible, comprise entre 0,2 et 1 mV/Pa, c’est-à-dire un niveau de sensibilité
compris entre -74 et -60dB ; il y a donc nécessité d’une pré amplification.
Bonne courbe de réponse, assez linéaire, sur la bande de fréquences comprise entre 30
Hz et 10 kHz.
Peu sensible au vent, mais sensible aux vibrations (car grande inertie, du fait de la
masse de la bobine). L’utilisation manuelle est difficile et il faut une suspension élastique
ou un support fixe.
Stable, fidèle, robuste, peu sensible à l’humidité, c’est l’instrument idéal pour le
reportage.
pression acoustique maximale : 180 dB SPL environ.
Exemple : le Shure SM58
4.1.3 Caractéristiques détaillées
En raison des dimensions de la membrane (typiquement 20 à 30mm) et du poids de
l'ensemble bobine et membrane, un phénomène de résonance ainsi qu'une décroissance de
niveau apparaît sur la courbe de réponse en fréquence. En étudiant la courbe ci-dessous, on
observe un pic de résonance autour de 5 kHz et une atténuation rapide à partir de 10 kHz.
Courbes d’efficacité intrinsèque axiale pour un microphone électrodynamique. La courbe 2
montre un micro ayant un amortissement plus important, ce qui a tendance à améliorer la
linéarité du micro.
Amélioration des caractéristiques du microphone
On peut augmenter les performances du micro dans les hautes fréquences en diminuant la
masse de l’équipage mobile. Dans ce cas, l’effet du terme m.ω de l’impédance mécanique est
renvoyé dans les hautes fréquences. La fréquence de résonance de l’équipage mobile s’élève,
et les harmoniques de la membrane sont rejetées au-delà du domaine audible.
Pour améliorer les performances dans les basses fréquences, on peut diminuer la raideur. Le
terme k/ω devient plus vite négligeable, dans les basses fréquences. Mais diminuer k diminue
la fréquence de résonance de l’équipage, et le système risque de développer des
harmoniques de la membrane dans le domaine audible. On est donc limité pour la valeur de
la raideur k.
La solution retenue pour améliorer la linéarité dans les basses fréquences est de coupler au
système de transformation électro-mécanique un circuit acoustique compensateur.
Ce circuit est le résonateur de Helmholtz, formé par la cavité du micro et l’évent (trou
d’égalisation). Le couplage ne se fait qu’à basse fréquence, car pour les hautes fréquences, le
mouvement d’oscillation demandé est tellement rapide que l’air contenu dans l’évent ne peut
se déplacer.
Schéma mécanique équivalent de l’ensemble équipage mobile et cavité arrière
Influence de la cavité arrière correctement accordée sur la courbe de réponse du microphone
On dit que la cavité est accordée si ses dimensions (évent et volume) permettent d’obtenir
une fréquence propre telle que les caractéristiques du micro soient améliorées dans les
basses fréquences. Cette fréquence de résonance de la cavité doit être petite.
4.1.4 utilisation
La qualité sonore de ce type de microphone est donc restreinte, cependant il est très répandu
et apprécié pour certaines de ses caractéristiques techniques et sa robustesse.
Sa capacité à supporter de fortes pressions sonores et à favoriser les fréquences
correspondant à la voix, lui offre une place de choix en spectacle vivant. On l'utilise pour
sonoriser les batteries et percussions (avec d'importantes transitoires) et pour le chant (micro
main ou sur pied pour un chanteur mais pas pour un chœur par exemple).
4.2 Microphone électrodynamique à ruban
La bobine et le diaphragme mobiles sont ici
remplacés par un ruban conducteur très léger
(quelques grammes), le plus souvent en
aluminium, de 2 à 3 µm d’épaisseur, pour une
largeur de 2 à 4 mm et une longueur de 2 à 6 cm.
Ce ruban est suspendu entre les pièces polaires
d’un aimant permanent fixe.
4.2.1 Description et principe de fonctionnement
Une onde acoustique peut attaquer les deux faces du ruban, donc ce type de micros est à
gradient de pression.
Une des conséquences est que l'utilisateur doit veiller à toujours bien placer le corps du micro
perpendiculairement à la source afin que les ondes sonores viennent frapper la face avant du
ruban (les micros disposent d'un repère à cette fin).
Sous l’effet de la pression du son, le ruban conducteur oscille dans l’induction magnétique, ce
qui engendre une tension électromotrice induite, proportionnelle à la vitesse de
déplacement du ruban :
(en V) (en T) (en m) (en m/s). .U B l v=
Puisque la tension est proportionnelle à la vitesse de vibration du ruban, le système est à
conversion en vitesse.
Le microphone électrodynamique à ruban, à gradient de pression et à conversion en vitesse,
doit donc être contrôlé par la masse.
Pour réaliser cette condition, sans alourdir le ruban, on doit diminuer le plus possible la
compliance (c’est-à-dire augmenter au maximum la raideur). C’est la raison pour laquelle le
ruban présente des ondulations (des plis en accordéon) qui permettent à chaque partie du
ruban d’être indépendante de la suivante, ce qui permet de diminuer le coefficient d’élasticité
du ruban, de le rendre plus raide.
Pour que le système soit contrôlé par la masse, la fréquence de résonance mécanique est à la
limite inférieure de la courbe de réponse (aux environs de 20 Hz). La faible valeur de la masse
du ruban permet d’étendre la largeur de la bande jusqu’au-delà de 15 kHz.
Le pliage du ruban en accordéon augmente aussi sa
longueur, et donc la tension induite aux bornes du micro.
Toutefois, le ruban même plié, représente un conducteur
considérablement moins long que celui, très fin, d'une
bobine, et la tension induite reste très faible.
Il faut donc utiliser un aimant aussi puissant que possible
et brancher le ruban aux bornes du primaire d’un
transformateur élévateur de tension, situé dans le boîtier
du microphone.
4.2.2 Caractéristiques générales du microphone électrodynamique à ruban
Un micro à double ruban,
le M160 de Beyer.
Il peut être bidirectionnel, hypercardioïde.
Sensibilité très faible, même en augmentant très fort le champ magnétique ; elle est de
l’ordre de 0,1 mV/Pa, ce qui correspond à un niveau de -80 dB. Il faut donc utiliser une pré
amplification.
Très bonne courbe de réponse (grande fidélité, en particulier le niveau de distorsion est
très faible pour les basses fréquences).
Très bonne réponse aux transitoires, mais très sensible au vent, car la masse en
mouvement est très faible, ainsi que l’élasticité du système.
C’est un très bon micro de studio (enregistrement des cuivres et des cordes) mais peu
indiqué pour l’utilisation extérieure.
pression acoustique maximale : < 140 dB SPL
4.2.3 Caractéristiques détaillées
La qualité sonore de ces microphones est très bonne en dépit des limites du système
mécanique représenté par le ruban en suspension et celles qu'induit son principe de
fonctionnement. On observe en général, une atténuation à partir de 14 kHz et une chute de
niveau pour les basses fréquences, cette dernière est compensée par une modification
adéquate de la fréquence de résonance du ruban.
Cette courbe de réponse en fréquence fait apparaître une augmentation sensible du niveau
des fréquences basses lorsque la source sonore s'approche à moins d'un mètre de la capsule.
A cette distance, on ne peut plus considérer que les ondes sont planes mais sphériques. La
distance supplémentaire parcourue par l'onde sonore pour atteindre la face arrière est
suffisamment importante pour faire décroître la pression sur celle-ci (car la puissance
acoustique d'une onde sonore décroît en 1/r2, r étant la distance de la capsule à la source). La
différence de pression entre face avant et face arrière est donc grande et cela amplifie
artificiellement les basses fréquences. C'est ce que l'on appelle l'effet de proximité.
4.2.4 utilisation
Le microphone à ruban est particulièrement adapté pour la prise de sons d'instruments
acoustiques et d'ensembles classiques.
Il ne peut pas être employé pour la prise de son d'instruments amplifiés, de percussions ou de
toute autre source générant de fortes pressions acoustiques.
Les prises de son extérieures restent possibles avec certains modèles, toujours avec de
grandes précautions et protections.
L'élévation du signal délivré aux bornes du ruban est assurée par un transformateur qui
abaisse également d'impédance de sortie du microphone. Là encore, les caractéristiques et la
qualité du transformateur sont déterminantes pour les performances du microphone.
4.3 Microphone électrostatique à condensateur
4.3.1 Description et principe de fonctionnement
Les variations de pression provoquée par l'onde sonore font varier la distance entre les deux
armatures et donc la capacité. Cet effet est exploité dans un circuit électrique de manière à
récupérer un signal dont les variations sont à l'image de celles de la pression acoustique.
Il s’agit d’un microphone à pression, puisque l’onde acoustique n’attaque qu’une face du
diaphragme.
A la différence du micro dynamique, le
microphone électrostatique ne met pas en jeu un
dispositif mobile solidaire d'une bobine. La
membrane est un mince (quelques microns)
disque extrêmement léger fait de métal (Titane ou
alliage d’aluminium) ou bien de mylar ou de
polyester rendu conducteur par un saupoudrage
de métal ou une diffusion de vapeur de métal sur
sa surface. Cette membrane est flottante et
constitue l'une des armatures d'un condensateur.
Elle est située à environ 20 microns d’une
armature arrière fixe. Ces deux plaques forment
les armatures d’un condensateur, l’air situé entre
les plaques faisant office de diélectrique.
0
0
SC
d
ε=
où ε est la permittivité électrique du diélectrique, S est la surface des plaques et d0 est
l’écartement des plaques, choisi pour que la capacité C0 du condensateur soit de l’ordre de
70 pF pour un microphone de 1 pouce de diamètre et de l’ordre de 20 pF pour un micro
d’un demi-pouce de diamètre.
Ce type de microphone a besoin d'une alimentation externe pour polariser les deux plaques
du condensateur. C'est une tension continue de 48 V qui tient ce rôle et le courant généré
qui est porté par le câble audio, ne perturbe en rien la transmission et l'exploitation du
signal audio. C'est pour cette raison que l'on parle d'alimentation « fantôme » à propos de
cette tension de 48 V.
Lorsque le micro est au repos, la capacité du condensateur vaut :
Si le diaphragme mobile est soumis à l’action d’une onde acoustique, la distance d entre les
plaques va varier, et la capacité C du condensateur va changer et vaudra :
où d est la distance modifiée entre les armatures.
Par contre, la charge Q du condensateur reste constante si la résistance R0 du circuit RC de
polarisation est choisie de telle sorte que la constante de temps du circuit (τ=R0C0) soit grande
par rapport à la période des ondes acoustiques.
La tension aux bornes du condensateur va donc changer et vaudra :
donc, le changement de tension vaut :
SC
d
ε=
On polarise les plaques du condensateur à l’aide
d’une tension continue U0 (souvent 48 volts),
afin qu’il se charge.
Soit Q la charge du condensateur ; on a :
0 0Q C U=
0 0tot 0
C UQU U U
C C= + ∆ = =
0 0 0 00 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0( ) 1tot
C C C C C C C CC CU U U U U U U U U
C C C C C C C C C C C C
− ∆ ∆ ∆∆ ∆∆ = − = − = − = − = − = − = −
∆ + + ∆
Lors du passage de l’onde acoustique, l’air se déplace de x(t), et la distance entre les armatures
va peut changer sous l’effet de l’onde acoustique :
On peut donc écrire, pour la nouvelle capacité :
et donc le changement de capacité du condensateur est :
Le changement de tension aux bornes du condensateur vaut donc :
c’est-à-dire finalement :
0 0 avec d d x x d= + <<
0
0 0 0 0
0
0
1 1
1
S S S S x xC C
d d x d d dxd
d
ε ε ε ε = = = ≈ − = −
+ +
00
0
C xC C C
d∆ = − = −
0
0 0 0 0 00 0
0 0 0 0
0 0
11
1 1
xUx
C C d d xU xUxU U U
x xC C d d d
d d
−
∆∆ = − = − = ≈ + ≈ −+ ∆ + −
0
0
xUU
d∆ ≈
On voit que le changement de tension est directement proportionnel à la distance de
déplacement de la membrane sous l’effet de l’onde acoustique : le microphone
électrostatique est donc à conversion en élongation.
Cette relation montre aussi que la sensibilité s (rapport ∆U/p) de ce type de microphone est
proportionnelle à U0/d0 ; pour avoir une grande sensibilité, la distance d0 entre le diaphragme
et l’armature fixe doit donc être la plus petite possible (environ 20 microns).
Le microphone électrostatique à condensateur, à pression et à conversion en élongation doit
donc être contrôlé par la raideur. La membrane doit donc être très légère et aussi tendue que
possible.
La fréquence de résonance du système doit donc être placée en haut du domaine audible.
4.3.2 Caractéristiques principales du microphone électrostatique à condensateur
Sensibilité importante, comprise entre 2 et 10 mV/Pa, c’est-à-dire un niveau de sensibilité
compris entre -54 et -40 dB.
Excellente courbe de réponse.
Microphone coûteux, délicat, sensible à l’humidité et nécessitant une alimentation (pour
produire la tension de polarisation du condensateur). La polarisation provoque aussi une
attraction électrostatique des poussières.
Ce type de micro peut être réalisé en très petites dimensions (micro cravate)
Peu sensible aux chocs et aux champs magnétiques externes.
Les caractéristiques polaires se rapprochent des courbes idéales.
pression acoustique maximale : de l'ordre de 130 dB SPL
Un micro électrostatique à condensateur de studio
4.3.3 Caractéristiques détaillées
La membrane est très légère et ses dimensions sont de l'ordre de 12 à 25 mm, le phénomène
de résonance se situe alors plutôt dans l'intervalle 12 - 20 kHz
4.3.4 Utilisation
Ces micros sont utilisés pour les prises de son demandant une grande
fidélité, en studio notamment. La captation de la voix, des instruments acoustiques, cordes,
cuivres et vent y gagne tant la finesse de certains modèles parvient à rendre toutes les
nuances de leur timbre. C'est dû à la grande sensibilité et la réponse en fréquence plate et
étendue dont bénéficient ces micros.
Il est en revanche fortement déconseillé de les utiliser pour la captation de percussions (à
l'exception des cymbales, captées en hauteur pour une prise dite « over-head » par
exemple), ainsi que de les employer à l'extérieur sans protéger la membrane par un dispositif
anti-vent (« wind jammer » en anglais).
4.4 Microphone électrostatique à électret
Ce sont des microphones à condensateur n’ayant pas besoin d’une polarisation aussi élevée
pour fonctionner, car ils disposent d'un composant à polarisation permanente, nommé
électret.
Certains matériaux plastiques conservent en effet, après polarisation, une certaine
polarisation électrique (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 refroidi brusquement, conserve une polarisation de manière définitive.
Avantages : possibilité de miniaturisation extrême (micro cravate, micro casque, etc.), bon
rapport taille/sensibilité.
Inconvénients : amoindrissement de la sensibilité au fil du temps due au fait que la charge de
polarisation diminue dans le temps.
Les microphones de PC sont des
microphones à électrets.
4.5 Microphone piézo-électrique
Un matériau piézoélectrique a la propriété de
produire une tension électrique lorsqu’il est déformé.
Dans un microphone piézo-électrique, l'onde sonore
fait vibrer une plaquette en quartz piézoélectrique
placée entre deux électrodes métalliques, jouant le
rôle d’armatures de condensateur.
Les vibrations sonores entraînent une déformation de la plaquette, ce qui produit une
variation de tension électrique. La différence de potentiel est proportionnelle à l’élongation de
la déformation :
Le microphone piézo-électrique est donc à conversion en élongation. Son mode d’action peut
être à pression ou à gradient de pression.
.U k x=
Sensibilité faible.
Bande passante très étroite.
Il peut être construit en petite dimension.
Il est utilisé pour capter les infra-sons et les ultra-sons,
mais pas comme microphone de studio.
4.5.1 Description et principe de fonctionnement
4.5.2 Caractéristiques principales du microphone piézo-électrique
Annexe : adaptation d'impédance: cas général (critères)
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