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appareil capable de convertir un signal acoustique en signal électrique, ou transducteur électroacoustique De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Un microphone (souvent appelé micro par apocope) est un transducteur électroacoustique, c'est-à-dire un appareil capable de convertir un signal acoustique en signal électrique[1].
L'usage de microphones est aujourd'hui largement répandu et concourt à de nombreuses applications pratiques :
On appelle également micro, par métonymie, les transducteurs électromagnétiques de guitare électrique (micro de guitare) et les transducteurs piézoélectriques (capteur piézo) utilisés pour des instruments dont le son est destiné à être amplifié.
Le composant électronique qui produit ou module la tension ou le courant électriques selon la pression acoustique, est appelé capsule. On utilise aussi le terme microphone par synecdoque. Un tissu ou une grille protège généralement cette partie fragile.
Le premier usage du terme microphone désignait une sorte de cornet acoustique. David Edward Hughes l'a le premier utilisé pour désigner un transducteur acoustique-électrique. Améliorant le dispositif de Graham Bell, Hugues fait valoir la capacité du dispositif qu'il a co-inventé à transmettre des sons beaucoup plus faibles[2].
Une membrane vibre sous l'effet de la pression acoustique et un dispositif qui dépend de la technologie du microphone convertit ces oscillations en signaux électriques. La conception d'un microphone comporte une partie acoustique et une partie électrique, qui vont définir ses caractéristiques et le type d'utilisation.
Si la membrane est au contact de l'onde sonore d'un seul côté, tandis que l'autre est dans un boîtier avec une pression atmosphérique constante, elle vibre selon les variations de pression. On parle d'un capteur de pression acoustique. Ce type de capteur réagit à peu près de la même manière aux ondes sonores quelle que soit la direction d'origine. Il est insensible au vent. Il est à la base des microphones omnidirectionnels.
Les microphones à effet de surface sont des capteurs de pression fixés sur une surface de quelque étendue formant baffle, qui double la pression acoustique dans l'hémisphère limité par la surface d'appui (Voir PZM (microphone) (en)).
Si la membrane est au contact de l'onde sonore des deux côtés, elle ne vibre pas lorsqu'une onde arrive en travers, puisque les surpressions sont égales des deux côtés. On appelle ce type de membrane un capteur de gradient de pression acoustique. C'est la base des microphones bidirectionnels ou à directivité en 8.
En associant ces deux types, soit par des moyens acoustiques, en contrôlant de façon plus subtile l'accès des ondes sonores à la face arrière de la membrane, soit par des moyens électriques, en combinant le signal issu de deux membranes, on obtient des directivités utiles, notamment cardioïde (dite aussi unidirectionnelle) :
capsule | omnidirectionnelle | bidirectionnelle | cardioïde | rapport | |
---|---|---|---|---|---|
formule | |||||
son dans l'axe | 100 %, 0 dB | ||||
son de côté | (90°) | 50 %, -6 dB | |||
son arrière | (180°) | 0 %, -∞ dB | |||
On construit des microphones de directivité cardioïde large, supercardioïde et hypercardioïde en changeant les proportions entre la composante omnidirectionnelle et la composante bidirectionnelle. Des microphones peuvent offrir un réglage ou une commutation de la directivité[3].
Ces constructions permettent de donner plus d'importance à une source vers laquelle on dirige le micro et d'atténuer le champ sonore réverbéré, qui vient de toutes les directions. On définit un indice de directivité comme l'expression, en décibels du rapport entre un son venant dans l'axe du microphone et un son de même pression acoustique efficace venant d'une source idéalement diffuse (venant de partout autour du microphone)[4].
capsule | formule | indice de directivité | angle pour une atténuation à | niveau pour un angle de | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
-3 dB | -6 dB | -∞ dB | 90° (son latéral) | 180° (son arrière) | |||
omnidirectionnelle | 0 dB | - | - | - | 0 dB | 0 dB | |
cardioïde | 4,8 dB | 65° | 90° | 180° | -6 dB | -∞ dB | |
supercardioïde | 5,7 dB | 56° | 75° | 120° | -9 dB | -10 dB | |
hypercardioïde | 6,0 dB | 52° | 70° | 110° | -12 dB | -6 dB | |
bidirectionnelle | 4,8 dB | 45° | 60° | 90° | -∞ dB | 0 dB |
Les microphones à tube à interférences donnent des directivités accentuées, mais fortement dépendantes des fréquences. À cause de leur forme allongée, on les appelle « micro canon »[5].
La taille de la membrane influe sur la conversion en vibrations, puis en signal électrique.
Au contact d'une paroi perpendiculaire à la direction de propagation, une onde sonore développe une puissance proportionnelle à l'aire et au carré de la pression acoustique :
soit une membrane de microphone de diamètre 20 mm atteint par une onde sonore perpendiculaire avec une pression de 1 Pa. L'aire de la paroi est de 3,14e-4 m², la puissance acoustique sur la membrane est de 0,76 μW.
On ne peut récupérer qu'une partie de cette puissance sous forme de signal électrique décrivant l'onde sonore. Plus la membrane est grande, moins il est nécessaire d'amplifier le signal, et par conséquent, moins on le soumet à un traitement amenant inévitablement une certaine quantité de bruit et de distorsion.
La taille de la membrane détermine par conséquent la sensibilité maximale du microphone. Mais dès que la plus grande dimension de la membrane devient significative par rapport à la longueur d'onde d'un son, elle constitue, pour les ondes sonore qui n'arrivent pas perpendiculairement, un filtre en peigne. Bien entendu, d'autres phénomènes comme la diffraction sur les bords interviennent, rendant la réponse réelle plus complexe.
La présence d'un entourage rigide autour de la membrane crée un effet de surface qui augmente la pression acoustique pour les fréquences dont la longueur d'onde est inférieure à la taille de l'ensemble membrane-entourage. Cet obstacle peut-être plat ou sphérique, il constitue autour d'une capsule capteur de pression un filtre acoustique, comme la grille de protection, qui délimite une cavité dont les caractéristiques influent sur la réponse du microphone, particulièrement aux plus hautes fréquences[6].
Les applications (téléphone mobile, micro cravate) qui exigent des micros de petite taille limitent par là même la taille de la membrane.
Les premiers microphones, employés d'abord dans les téléphones, utilisaient la variation de résistance d'une poudre granuleuse de carbone, quand elle est soumise à une pression. Quand on comprime la poudre, la résistance diminue. Si on fait passer du courant à travers cette poudre, il va être modulé suivant la pression acoustique sur la membrane qui appuie sur la poudre. On ne peut évidemment construire de cette manière que des capteurs de pression. Ces microphones sont peu sensibles, fonctionnent sur une plage de fréquence limitée, et leur réponse n'est que très approximativement linéaire, ce qui cause de la distorsion. Ils ont l'avantage de pouvoir produire une puissance assez élevée sans amplificateur. Ils ont été utilisés dans les combinés téléphoniques, où leur robustesse était appréciée, et à la radio avant l'introduction de procédés donnant de meilleurs résultats.
Dans les microphones électromagnétiques à bobine mobile, une bobine est collée à la membrane, qui la fait vibrer dans le fort champ magnétique fixe d'un aimant permanent. Le mouvement crée une force électromotrice créant le signal électrique. Comme la conversion de l'énergie sonore dégagée par l'action de la pression acoustique sur la membrane donne directement un courant utilisable, ces microphones sont dits dynamiques, car contrairement aux micros à charbon et aux micros électrostatiques, ils n'ont pas besoin d'alimentation.
L'apparition dans les années 1980 d'aimants au néodyme a permis des champs magnétiques plus intenses, avec une amélioration de la qualité des microphones électromagnétiques.
Dans les microphones électromagnétiques à ruban, la membrane est un ruban gaufré souple installé dans le champ magnétique d'un aimant permanent. Il fonctionne comme le microphone électromagnétique à bobine mobile, avec l'avantage de la légèreté de la partie mobile. Il ne requiert pas d'alimentation. L'impédance de sortie est bien plus faible que celle des autres types, et il est assez fragile.
Dans les microphones électrostatiques, la membrane, couverte d'une mince couche conductrice, est l'une des armatures d'un condensateur, chargé par une tension continue, l'autre armature étant fixe. La vibration rapproche et éloigne les armatures, faisant varier la capacité. La charge étant constante et égale au produit de la tension et de la capacité, la variation de la capacité produit une variation inverse de tension. L'impédance de sortie est très élevée. Les micros électrostatiques ont besoin d'une alimentation, d'une part pour la polarisation du condensateur, d'autre part pour l'amplificateur adaptateur d'impédance qui doit être proche de la membrane.
L'alimentation peut être fournie par un conducteur spécial relié à un boîtier d'interface qui assure aussi l'adaptation d'impédance. Cependant, ce n'est le cas que pour quelques microphones très haut de gamme. La plupart des modèles utilisent une alimentation fantôme, ainsi nommée parce qu'elle ne nécessite aucun conducteur supplémentaire.
La sensibilité des microphones électrostatiques est supérieure à celle des microphones dynamiques. Il y a besoin de moins de puissance sonore pour faire vibrer la membrane seule que l'appareil membrane-bobinage, et l'amplificateur adaptateur d'impédance prélève une puissance infime. Cet amplificateur est conçu pour le capteur et contrôle aussi la bande passante ; la réponse de la membrane du condensateur est approximativement plate jusqu'à sa fréquence de coupure, après quoi elle décroît d'environ 12 dB par octave(Rayburn 2012, p. 33-35). Ces amplificateurs furent d'abord composés d'un tube électronique et d'un transformateur. Plus récemment, leur niveau de bruit et de distorsion ainsi que leur sensibilité aux interférences ont été abaissés par l'emploi de transistors ou de transistors à effet de champ, sans transformateurs[7].
Le condensateur formé par la membrane et une armature fixe n'est pas polarisé par une tension continue, mais constitue, avec une résistance, un filtre dont la fréquence de coupure varie comme la capacité. Le niveau de modulation haute-fréquence suit donc la vibration de la membrane. L'étage suivant comporte une démodulation sur une diode qui conduit les transistors de sortie[8].
Les microphones électrostatiques à électret tirent parti d'une propriété de certains matériaux de conserver une charge électrostatique permanente. Un matériau de cette sorte constitue une armature de condensateur, la membrane l'autre. Les microphones à électret n'ont pas besoin de tension de polarisation, mais ils ont néanmoins un amplificateur adaptateur d'impédance, qui requiert une alimentation. Si la tension de crête de sortie n'est pas trop élevée, cette alimentation peut être fournie par une pile.
La charge de polarisation diminue dans le temps, ce qui se traduit par une perte de sensibilité du micro au fil des années.
La conception ou le choix d'un modèle existant doit tenir compte de l'usage auquel le microphone est destiné :
La qualité de la transcription du son dépend des caractéristiques et de la qualité du microphone mais aussi, et principalement, de l'emplacement du microphone par rapport à la source, ainsi que de l’environnement de la prise de son (bruits, vent…).
La directivité est une caractéristique essentielle du microphone. Elle indique sa sensibilité selon la provenance du son par rapport à son axe.
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Omnidirectionnel | Cardioïde large | Cardioïde | Hypercardioïde | Canon (lobes) | Bi-directionnel ou figure en 8 | |
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Dans le tableau, le micro est placé verticalement et dirigé vers le haut. |
Le diagramme polaire représente la sensibilité du microphone selon la direction d'origine de l'onde sonore. La longueur du point central à la courbe indique la sensibilité relative en décibels. Dans la plupart des cas, la sensibilité ne dépend que de la direction par rapport à l'axe principal du microphone ; dans le cas contraire, deux diagrammes sont nécessaires. La directivité dépend aussi de la fréquence ; les diagrammes complets comprennent plusieurs courbes de valeurs relatives. En général, le diagramme est symétrique, et on peut mettre, pour une meilleure lisibilité, des demi-courbes de part et d'autre de l'axe.
Le plus souvent, la réponse en fréquence est la plus égale quand le microphone est face à la source. Si d'autres sons ne viennent pas se mêler à celui de la source principale, on peut utiliser les différences de réponse hors de l'axe pour égaliser la sonorité.
Les professionnels du son ont tendance à préférer les microphones électrostatiques aux dynamiques en studio. Ils offrent en général un rapport signal sur bruit largement supérieur et une réponse en fréquence plus large et plus étale.
Pour les sources très puissantes, comme un instrument de percussion, les cuivres ou un amplificateur pour guitare électrique, un microphone dynamique a l'avantage d'encaisser de fortes pressions acoustiques. Leur robustesse les fait souvent préférer pour la scène.
Le microphone électrostatique présente l'avantage d'excellentes réponses transitoire et bande passante, entre autres grâce à la légèreté de la partie mobile (uniquement une membrane conductrice, à comparer avec la masse de la bobine d'un microphone dynamique). Ils ont en général besoin d'une alimentation, en général une alimentation fantôme. Ils comportent souvent des options de traitement du signal telles un modulateur de directivité, un atténuateur de basses fréquences, ou encore un limiteur de volume (Pad).
Les microphones électrostatiques sont plébiscités par les professionnels en raison de leur fidélité de reproduction.
Les sonomètres professionnels utilisent tous des microphones à capteur de pression (omnidirectionnels) électrostatiques. Cet usage exige que le microphone soit étalonné ; le pistonphone est un appareil couramment utilisé à cette fin.
Facilement miniaturisable, le micro à électret est très utilisé dans le domaine audiovisuel (micro cravate, micro casque, etc.) où on l'apprécie pour son rapport taille/sensibilité. Les meilleurs modèles parviennent même à rivaliser avec certains micros électrostatiques en termes de sensibilité.
Les électrets actuels bénéficient d'une construction palliant cette fâcheuse espérance de vie limitée que l'électret connaît depuis les années 1970.
Apparus au début des années 2000 à l'initiative de constructeurs de micros premium tels que Neumann, Sennheiser, Beyerdynamic ou Schoeps, il s'agit de micros qui contiennent dans leur corps l'électronique de conversion et de traitement.
La sortie est au format AES 42, c'est-à-dire de l'AES EBU associé à une alimentation fantôme spécifique destinée à alimenter l'électronique du micro ainsi que les données de commande à distance. En effet, à l'aide d'interfaces de télécommande telles les RME DMC842 ou les Neumann DMI2 et DMI8, il est possible de commander les paramètres des micros et des DSP internes à distance. Du fait du signal numérique transmis, des câbles de plusieurs centaines de mètres peuvent être utilisés sans craindre la moindre dégradation du signal.
Des kits de micros sont utilisés dans de nombreux projets; Philharmonie de Paris, Orchestre National de Lille, Jazz à Vienne, Orchestre et Maîtrise du Rhin... dans le cadre de la sonorisation et/ou l'enregistrement acoustique des artistes ainsi que des ambiances du public.
Une capsule de microphone donne un signal correspondant à un point de l'espace sonore. Des agencements de capsules donnent plusieurs signaux qui permettent de représenter la direction de la source, ou d'obtenir des directivités particulières.
Les accessoires de microphone sont