Chapitre 5 : les microphones

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


Membrane

Suspension

Suspension

Boîtier

Trou de

décom-

pression

Surpression

p0

101325 Pa

Dépression

Onde

sonore


Ce type de micro n’est pas directif mais omnidirectionnel (comme la pression est une

grandeur scalaire) : son diagramme polaire est circulaire.


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 <


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


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=


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


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.


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


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


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


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.


4.5.2 Caractéristiques principales du microphone piézo-électrique

Annexe : adaptation d'impédance: cas général (critères)

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Chapitre 5 : les microphones