acoustique - NTE Lyon 1

AC
ACOUSTIQUE
-
MICRO
1
ETALON
0BJECTIFS
Utilisation d'un microphone étalon pour étudier les courbes de réponse en
fréquence d'un haut-parleur et d'un microphone électrodynamique.
Mesure de la vitesse du son dans l'air par examen du déphasage introduit
par une variation de la distance entre deux transducteurs électroacoustiques.
MATERIEL
- Un générateur de signaux électriques sinusoïdaux, dont on peut faire varier
l'amplitude et la fréquence ( entre 20 Hz et 20 kHz ), alimente, via un amplificateur HI-FI, un
transducteur électroacoustique "Haut-Parleur" qui transforme ces signaux en vibrations
acoustiques. Ces vibrations se propagent à l'intérieur d'une chambre sourde ( dont les parois ne
réfléchissent pas les sons ) et sont captés par un transducteur électroacoustique "microphone",
fonctionnant en sens inverse du précédent, c'est à dire transformant le signal acoustique en signal
électrique.
- Un microphone étalon à condensateur "BRUEL et KJAER" accompagné de son
alimentation. Cette alimentation est à piles; il est donc impératif de l'arrêter quand vous n'utilisez
plus le microphone.
- Un microphone électrodynamique.
- Un oscilloscope.
- Deux voltmètres numériques dont la bande passante convient pour des mesures jusqu'à
20 kHz.
- Deux Ampli.Op.
TRAVAIL EXPERIMENTAL
1 - Courbe de réponse d'un haut parleur.
Vérifier le montage du haut parleur alimenté ( via l'ampli. HI-FI ) par le générateur de
signaux ainsi que celui du microphone étalon.
AC
2
Géné. B.F
v
Sortie
H.P
Entrée Aux.
AMPLI HIFI
2 Ampli. Op.
de gain 10
Vs
H.P
Coaxial
Alim. + Ampli.
Coaxial
Micro. electrodynamique
Veff
Micro. étalon
Chambre sourde
e
Schéma synoptique de l'ap
pareillage
Mesurer la tension efficace e fournie par le micro pour une valeur constante de la tension
d'alimentation Veff du H.P ( cette valeur doit être le maximum acceptable compte tenu des
nuisances crées dans la salle de T.P. par le Haut parleur), et pour des fréquences allant de 20 Hz à
20 kHz ( choisir une dizaine de valeurs de fréquences par décade ) .
Veff =
AC
3
Inscrire ces résultats dans le tableau ci-après:
f(Hz)
e(mV)
eff(dB)
f(Hz)
e(mV)
eff(dB)
Tracer la courbe de réponse du H.P. ( efficacité en dB en fonction de la fréquence f ). On
pourra utiliser la relation
eff dB = 20 log10 ( 1000 e )
où e est en mV/V de H.P. Cette relation, où l'on prend 0 dB au seuil d'audition, se démontre à l'aide
des documents fournis en annexe.
2 - Courbe de réponse d'un microphone.
Réaliser le montage d'un microphone électrodynamique avec amplification ( gain de 100 )
du signal délivré. ( Vs tension de sortie de l'ampli : cf schéma ).
Mesurer la tension efficace Vs et la tension e délivrée par le micro étalon.
Pour chaque fréquence f, comprise entre 20 Hz et 20 kHz, maintenir constante la valeur de
e en retouchant la tension Veff aux bornes du H.P. D'après la propriété du microphone étalon, on
est assuré de soumettre ainsi le microphone électrodynamique à une même pression sonore quelle
que soit la fréquence f.
Le choix de la valeur e, donc de la pression sonore, devra tenir compte de la gêne que l'on
risque d'occasionner dans la salle de T.P. ( nuisances sonores ). Une valeur de e ≈ 5 mV reste
acceptable.
e=
Inscrire dans le tableau ci-après les valeurs de Vs en fonction de f.
AC
4
f(Hz)
Vs(mV)
eff(dB)
f(Hz)
Vs(mV)
eff(dB)
Tracer la courbe de réponse de l'ensemble "microphone électrodynamique + ampli"
(efficacité en dB en fonction de la fréquence f ), en prenant comme référence un microphone
donnant 1 V par Pascal. On pourra utiliser la relation
eff dB = 20 log10 ( 10Vs)
avec Vs en V, relation qui se démontre à l'aide des documents fournis en annexe.
3 - Mesure de la vitesse du son.
L'énergie reçue par le microphone étalon dépend de la distance micro - H.P. (loi en 1/R2)
Dans l'étude qui suit on négligera cette variation ( déplacements du micro de l'ordre d'une quinzaine
de centimètres ).
Effectuer un montage à l'oscillo permettant de mettre en évidence le déphasage entre le
signal v délivré par le générateur et le signal e ( fourni par le microphone étalon ).Si la fréquence f
du générateur est convenablement choisie ( longueur d'onde pas trop grande), on peut observer la
variation de ce déphasage en fonction de la distance H.P. - micro. Repérer des positions successives
du micro correspondant à un déphasage nul entre les deux signaux. En déduire la longueur d'onde
l et donc la vitesse de propagation v = l f de l'onde émise par le H.P.
Effectuer les mesures pour plusieurs fréquences et indiquer ces résultats dans le tableau cidessous:
fréquence
l
Vitesse son
AC
5
Déduire de ces mesures une valeur moyenne de la vitesse du son dans la chambre sourde,
en indiquant si le résultat vous paraît plausible.
Valeur moyenne de la vitesse du son:
DOCUMENT ANNEXE
1° généralités
Un son pur est une vibration sinusoidale longitudinale de l'air qui se traduit par une
variation locale de pression. On appelle pression sonore Ps cette variation de pression :
Ps = Psm sin (wt - F)
Ps mesurée en Pascal ( Pa )
La vibration est caractérisée par son amplitude Psm et sa fréquence : f = w/ 2π
On définit l'intensité sonore (ou niveau de pression sonore) par la relation :
Is = 20 log10 ( Ps/ Pso )
Is mesuré en décibels (dB)
Pso = 2. 10-5 Pa est la pression sonore correspondant au seuil d'audition ( valeur en-dessous de
laquelle un son n'est plus perçu par l'oreille ). L'emploi des dB résulte du fait que l'oreille perçoit
des sensations proportionnelles au logarithme de l'énergie reçue.
2° sensibilité des transducteurs électroacoustiques
On appelle efficacité (ou sensibilité) du transducteur le rapport de la grandeur de sortie
(réponse) à la grandeur d'entrée (exitation).
Ps émise (Pa )
EHP = _______________________
V tension d'alimentation (Volt)
e(tension produite)
Emicro = _____________
Ps reçue
( Remarque: en fait l'efficacité Emicro caractérise l'ensemble du microphone et du préamplificateur)
En général l'efficacité E dépend de la fréquence f. Le graphe de E(f) constitue la courbe
de réponse du transducteur.
La pression sonore Ps émise par le haut-parleur se déduit de e, tension lue aux bornes
du microphone étalon, sachant que ce dernier a une efficacité de 50,1 mV/Pa quelle que soit la
fréquence.
De même la pression Ps reçue par le microphone électrodynamique se déduit de la tension
e maintenue constante aux bornes du microphone étalon.
AC
6
Afin de pouvoir représenter des variations éventuelles de E s'étendant sur plusieurs
décades, on préfère dans la pratique utiliser une échelle logarithmique. L'efficacité est alors
exprimée en décibels par la relation :
effdB = 20 log10 (E/E0)
E0 est l'efficacité d'un transducteur de référence de même type que le transducteur
étudié. Afin de faciliter les calculs on peut choisir E0 égal à :
*1 Pa/V si le transducteur est un haut-parleur.
* 1V/Pa si le transducteur est un microphone.
On reste en cohérence avec la définition générale du décibel qui, quel que soit le domaine
physique concerné, s'exprime comme le produit par 20 du logarithme décimal d'un rapport.
Exemple 1 : l'efficacité du microphone étalon ( qui délivre 50,1. 10-3 V/Pa quelle
que soit la fréquence ) par rapport à un micro référence donnant 1 V/Pa est :
-3
50, 1.10
1 Pa
20 log(
) = - 26 dB
1V
1 Pa
On dit qu'il a une sensibilité de - 26 dB par rapport à un microphone fournissant 1 V/Pa.
Exemple 2 : l'efficacité d'un haut-parleur donnant 0,5 Pa/V à 1000 Hz et à 1m
de distance est, par rapport à un haut-parleur donnant 1 Pa/V:
0, 5 Pa
1V
20 log(
) = - 6 dB
1 Pa
1V