Les microphones complet

Les microphones
L’air est un milieu élastique et les variations de pression s’y propagent de proche en proche.
Sous l’action d’une perturbation (détonation, claquement de doigts, etc…) les molécules
s’entrechoquent et créent une onde de pression qui va mettre en mouvement un élément
sensible du microphone, sa membrane. Celui-ci est capable aussitôt de générer un signal
électrique à partir des vibrations de la membrane.
Les microphones sont des transducteurs : ils transforment l’énergie mécanique
véhiculée par une onde sonore, en énergie électrique.
I - Les différents types de microphones
I -1 Les microphones électrodynamiques (ou dynamiques)
I -1. 1
Principe de fonctionnement
Au même titre que les enceintes du même nom, les microphones (ou micros par apocope)
électrodynamiques exploitent le phénomène décrit et quantifié par Lenz et qui stipule qu’un
conducteur en mouvement dans un champ magnétique se voit traversé par un courant dit
induit.
Voici une vue en coupe du dispositif :
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Un bobinage solidaire de la membrane se déplace dans l’entrefer d’un aimant
permanent. Le courant électrique ainsi généré est à l’origine de la différence de potentiel à
ses bornes. Puisque les mouvements de l’air à proximité de la membrane sont une succession
de pression et de dépression, celle-ci effectue un déplacement de va-et-vient autour d’une
position d’équilibre. Le courant induit change donc de sens, par conséquent le signal de
tension généré est alternatif.
Le microphone dynamique est un capteur de pression, la pression derrière la membrane,
c’est-à-dire du côté intérieur du micro est maintenue constante grâce à un petit trou appelé
évent.
I -1. 2
Caractéristiques
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.
- sensibilité : typiquement entre – 60 à -50 dBV/ Pa (voir § II- La sensibilité des
microphones).
- pression acoustique maximale : 180 dB SPL environ.
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).
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I -2 Les microphones électrostatiques (ou statique ou à condensateur)
I -2. 1
Principe de fonctionnement
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 disque extrêmement léger fait
de métal (Titanium) 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. 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.
Voici un schéma du dispositif:
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. Le corps du micro renferme un préamplificateur et un
transformateur de sortie pour d’une part élever le niveau de signal et d’autre part abaisser
l’impédance de sortie du microphone. La qualité de ce dernier composant est pour beaucoup
dans les performances du microphone à condensateur.
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I -2. 2
Caractéristiques
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.
Ces micros sont très sensibles, ç’est-à-dire susceptibles de délivrer une tension de
sortie plus importante que d’autres micros pour une pression acoustique égale.
- sensibilité: -45 à -30 dBV/ Pa (voir § II - La sensibilité des microphones).
- pression acoustique maximale: de l’ordre de 130 dB SPL
- 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 « overhead » par exemple), ainsi que de les employer à l’extérieur sans protéger la membrane par
un dispositif anti-vent (« wind jammer » en anglais).
A noter qu’il existe également des microphones électrostatiques HF, qui abritent un
dispositif de modulation-démodulation. HF désigne la haute fréquence de la tension qui
polarise le condensateur (au lieu du 48 V dans les modèles statiques classiques) et non pas
l’émission HF des micros dits « sans fil ». Le signal délivré par la membrane va moduler la
fréquence de la porteuse. Les fabricants mettent en avant le faible bruit propre généré par
ces micros et la possibilité d’égaliser le signal une fois démodulé, ceci permettant de
compenser la réponse faible en basse fréquence de ces modèles à petite membrane. En
outre, la technologie employée (faible tension de polarisation, faible impédance et
transistors bipolaires et non plus FET comme pour les statiques classiques) leur permet de
rester opérationnels dans des conditions climatiques difficiles.
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I -3 Les microphones à électret
I -3. 1
Principe de fonctionnement
Les microphones à électret sont apparus bien après les microphones électrodynamiques et
électrostatiques. Le principe reprend celui du microphone statique à ceci près que la tension
de polarisation disparaît car la membrane porte une charge électrostatique permanente,
c’est cet élément que l’on appelle électret. Le préamplificateur dans le corps du micro
fonctionne avec une pile ou bien utilise l’alimentation fantôme. Il est constitué d’un
transistor FET (Field Effect Transistor) qui assure également l’adaptation d’impédance pour
l’acheminement du signal en limitant les pertes.
I -3. 2
Caractéristiques
Ses avantages sont d’une part la possibilité de miniaturisation et un coût relativement
modique. De fait, on les rencontre par exemple sous la forme de micro-cravates ou bien
intégrés dans des appareils hi-fi mais également comme micro conventionnel.
Ses performances ne valent pas celles du microphone électrostatique et les meilleurs
modèles parviennent tout juste à égaler celles des micros à condensateur. De plus, certains
électrets perdent leur charge dans le temps et deviennent de moins en moins sensibles. Ceci
est pricipalement dû à la volonté des fabricants de produire en masse et à moindre coût et
tous les efforts ne sont pas orientés vers une amélioration des performances.
ATTENTION ! La présence de l’alimentation fantôme pour les micros à électret ne
doit pas amener à les confondre avec les micros à condensateur.
micro électret « pastille »
le Shure PG81, un micro statique à électret
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I -4 Les microphones à ruban
I -4. 1
Principe de fonctionnement
Une fine feuille métallique pliée en accordéon (afin de lui donner une certaine
élasticité) se déplace dans l’entrefer d’un aimant.
Au sujet de ce micro, on parle de capteur à gradient de pression car le signal délivré
par le micro est proportionnel à la différence de pression entre faces avant et arrière. 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).
I -4. 2
Caractéristiques
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.
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La légende indique que cette courbe accepte une tolérance de lecture de + ou – 2,5 dB et a été obtenue pour
une fréquence d’1 kHz. D’autre part, le niveau indiqué O dB correspond à une sortie en tension égale à 1 mV
pour une pression acoustique de 94 dB SPL.
La courbe de réponse en fréquence vue plus haut 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 artificellement des basses fréquences. C’est ce que l’on appelle l’effet de
proximité. Les microphones à ruban sont fragiles et globalement peu sensibles:
- sensibilité : - 60 à -54 dBV/ Pa
- pression acoustique maximale : < 140 dB SPL
- 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.
I -4 Les microphones de contact
I -4. 1
Principe de fonctionnement
Ce type de micro exploite la propriété qu’ont certains corps à se polariser
électriquement lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique. On parle aussi de micros
piézo-électriques d’après le nom de cette propriété.
Ces micros se présentent sous la forme de pastilles que l’on pose contre la partie vibrante
d’un instrument.
un micro-contact posé sur une guitare acoustique
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I -5 Les microphones à zone de pression
I -5. 1
Principe de fonctionnement
Le microphone à zone de pression comporte une capsule montée et pointée directement sur
une plaque d’environ 15 cm de diamètre. Cette plaque est destinée à être placée sur de
larges surfaces, murs, plafonds, sur scène ou sous le couvercle d’un piano par exemple.
Il faut noter que malgré son apparence, ce n’est pas un microphone de contact : la plaque
elle-même ne transmet pas les vibrations de surface. Il faut le voir comme un microphone
omnidirectionnel (voir § III - La directivité des microphones) pointé vers une surface plane.
un microphone PZM
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I -6 Le microphone à réflecteur parabolique
I -6. 1
Principe de fonctionnement
Une capsule de microphone est placée sur le foyer et orientée vers le fond d’un réflecteur
parabolique. Le gain typique est de 15 dB mais pour les basses fréquences dont les longueurs
d’ondes avoisinent le diamètre du réflecteur, ce gain diminue. Ce dispositif permet de
capter des sources très éloignées et se trouve souvent employé pour l’enregistrement
d’oiseaux, difficiles à approcher en général ou sur les stades en direction de l’action se
déroulant sur le terrain.
A l’inverse du schéma ci-dessus on trouve des montages sur réflecteur où une capsule
omnidirectionnelle est orientée vers la source, les sons réfléchis étant captés par l’arrière
de la capsule (montage adopté pour les manifestations sportives par exemple).
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II - La sensibilité des microphones
II -1
La mesure de la sensibilité
Pour mesurer la sensibilité, on utilise communément un signal d’1 kHz dont le niveau est
porté jusque 74 dB SPL ou 94 dB SPL (SPL pour Sound Pressure Level, ou niveau de pression
acoustique). Un niveau de pression acoustique de 74 dB SPL correspond à une pression de 1
µB (micro Bar) et 94 dB SPL correspond à une pression de 1 Pa.
Puisque 1 Pa = 10 µB, on retrouve logiquement un gain de 20 dB car :
G = 20 log (P2/P1)
G représente ici le gain en dB obtenu de P2 par rapport à P1, deux valeurs de pressions
acoustiques respectivement dans un rapport de 10.
Les constructeurs précisent la fréquence (généralement 1 kHz) et la charge (en Ohms, Ω)
utilisée pendant la mesure de la sensibilité (c’est la méthode de mesure adoptée par les
américains). S’il n’y a pas de charge, c’est une mesure « à vide » et la mention « open circuit
voltage » apparaît en regard de la mesure dans la documentation.
Il y a deux notations pour exprimer la sensibilité d’un microphone.
II -1 .1 Les unités de mesures de la sensibilité des microphones
L’une des manières d’exprimer la sensibilité d’un micro est de l’écrire en mV/ Pa ou
mV/ µB.
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.
La même tension rapportée à 1 µB s’exprimerait: 1,5mV/µB.
Cette valeur de tension mesurée pour une pression 10 fois moindre (10µB = 1 Pa) implique
donc que le micro est 10 fois plus sensible.
L’autre manière d’exprimer la sensibilité d’un microphone fait intervenir des valeurs
de tension de référence.
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 ».
Ceci, rapportée à la mesure de la sensiblité d’un micro où la pression acoustique intervient
aussi, donne une unité exprimée en dBu/ Pa ou dBV/ Pa.
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Une valeur exprimée en dBu/ Pa ou dBV/ Pa permet donc de retrouver la tension U que le
micro délivre lorsqu’il est soumis à un signal de 1kHz à une pression de 1 Pa.
Smic = 20 log (U/ Uréf) où
tension de référence.
Puisque
Uréf et Smic
sont connus,
Smic
représente la sensibilité du micro et
, la
U est donné par l’expression :
U = Uréf
I -1. 2
Uréf
.
(Smic/20)
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Quelques ordres de grandeurs
Les microphones électrostatiques sont les plus sensibles, viennent ensuite les
microphones dynamiques et enfin les microphones à ruban qui restent les moins sensibles.
Type de microphone
électrostatique
Sensibilité
5 à 25 mV/ Pa soit – 45 à -30dBV/ Pa
électrodynamique
1 à 3 mV/ Pa soit -60 à -50 dBV/ Pa
à ruban
1 à 2 mV/ Pa soit -60 à -54dBV/ Pa
Les grandeurs dans le tableau ci-dessus sont chacunes, communément associées à un type de
microphones, certains modéles peuvent néanmoins dépasser ces performances.
Des modèles récents de micros statiques, par exemple, sont équipés d’une lampe qui
remplace le transformateur qui équipe la plupart des micros statiques. La sensibilité de ces
modéles peut atteindre 60 mV/ Pa mais de telles performances restent marginales et très
coûteuses à l’achat.
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III – La directivité des microphones
III- 1 Définition
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.
II- 1 . 1
Les omnidirectionnels
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.
Le diagramme polaire des micros capteurs de pression se présente donc 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. C’eci est dû aux diffractions qui interviennent dès lors que les longueurs d’ondes
incidentes sont proches des dimensions de la capsule.
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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.
II- 1. 2
Les bi-directionnels
Il s’agit 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 parallèlle 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 «
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∞ ».
II- 1. 3
Les cardioïdes
Mathématiquement, la réponse omnidirectionnelle est représentée par 1 (même niveau
quelque soit θ, l‘angle d’incidence de l’onde sonore) et la réponse bi-directionnelle par cos θ.
La réponse cardioïde correspond théoriquement à 1 + cos θ. Il en résulte que le diagramme
polaire des microphones cardioïdes a une forme de cœur d’où l’appellation cardioïde.
Le diagramme polaire présente cette allure :
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. 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 et il est très difficile de l’obtenir
simultanément pour toutes les fréquences. C’est ce que
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II- 1. 4
Les hypercardioïdes
Mathématiquement, le diagramme polaire est représenté par ½ + cosθ, c’est la combinaison
d’une réponse omnidirectionnelle atténuée de 6 dB et d’une réponse bi-directionnelle.
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 environants une source sonore vers laquelle pointe le micro.
Une plus grande sélectivité peut être obtenue grâce à l’adjonction d’un tube à interférence.
Une capsule cardioïde est disposée au bout d’un tube ajouré qui constitue une fine grille sur
toute sa longueur. Les retards et déphasages générés par la grille de ce tube provoquent
l’annulation de certaines fréquences ce qui contribue à fortement atténuer le son. On parle
alors de canon à interférences et le microphone prend alors le nom de microphone canon.
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II- 1. 5
Les directivités multiples
Certains microphones proposent de multiples directivités.
- 1) Ce peut être obtenu en adaptant plusieurs capsules sur un même corps de
microphone. Celles-ci se dévissent et ont chacune une directivité bien précise. L’utilisateur
change selon sa convenance.
- 2) Le micro dispose d’une seule capsule (et membrane) et des labyrinthes
acoustiques modulables mécaniquement changent la directivité. Il n’est pas possible
d’obtenir de directivité intermédiaire.
- 3) Deux capteurs sont associés et mis en opposition de phase. La combinaison des
deux réponses permet d’obtenir des directivités intermédiaires.
Certains microphones à condensateur combinent deux capsules de directivité cardioïdes en
opposition de phase (montées dos à dos) et la somme électrique des signaux reconstitue une
réponse bi-directionnelle.
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IV - l’impédance des microphones
L’impédance est la grandeur qui remplace la résistance lorsque l’on aborde des
circuits où des tensions alternatives entrent en jeu. L’expression de cette grandeur (en
Ohm, Ω) fait intervenir la fréquence des signaux qui traversent les conducteurs. Cette
propriété est à l’origine de phénomènes d’atténuation et de pertes qu’il faut éviter lorsqu’on
cherche à transmettre des signaux audio notamment. C’est pourquoi l’impédance de sortie
des microphones est rabaissée à 200 Ω (quelquefois moins) de manière à permettre
l’utilisation de longs câbles (jusque plusieurs centaines de mètres) et pas ou peu
d’atténuation des hautes fréquences. En corrélation, l’impédance d’entrée des appareils sur
lesquels se branchent les microphones est de l’ordre de 2kΩ, soit 10 fois plus (voie d’entrée
de consoles par exemple). Il faut veiller à respecter cet ordre de grandeur entre
impédances de sortie et impédances d’entrée afin d’assurer le fonctionnement nominal des
appareils ainsi raccordés.
V - Synthèse
Il n’existe pas de microphone à tout faire. La source sonore, les conditions et la
finalité de la prise de son vont déterminer le choix de tel ou tel type de microphone.
Il s’agit de bien étudier les caractéristiques des microphones afin d’anticiper leur
comportement dans l’environnement où s’effectue la prise de son. On l’a vu dans l’étude qui
leur est consacrée, les critères déterminants vont être la réponse en fréquence, la
sensibilité et la directivité.
Le prix peut fluctuer énormément en fonction des performances annoncées et de la
gamme à laquelle le microphone appartient. Cet aspect doit être considéré au même titre
que l’utilisation que l’acquéreur compte faire d’un microphone avant de réaliser l’achat.
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