FORMULES de PHYSIQUE
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MICROPHONE
microphone
Un microphone est un capteur prenant le son auprès d'une quelconque source sonore
Il posséde un transducteur acoustico-électrique et il est muni en outre de fonctions d'amplification et d'amélioration qualitative, qui se révèlent utiles avant de renvoyer le son vers l'écoute.
Le micro entrera:
--soit dans un circuit court (le son va subir quelques rapides traitements et va être vite restitué à l'écoute à travers un autre transducteur externe, type électro-auditif (haut-parleur)
--soit dans un circuit long (le son va être enregistré, stocké dans un ordinateur,une cassette, ou autre...), puis exhumé après quelques modifs, pour une écoute différée, à un moment choisi) et ce sera effectué par un transducteur genre H.P.
Nota: un micro de guitare possède également un transducteur électro-magnétique
-les modèles de microphones
-microphones piézo-électriques (ils reçoivent de l’énergie acoustique sous forme de variation de pression et le transducteur, genre cristal piézo, la restitue sous forme de variation de potentiel électrique (ce potentiel étant par ailleurs = énergie / charge)
-microphones piézo-résistants (idem ci-dessus, mais restituent sous forme de variation de résistance)
-microphones électrostatiques (ils reçoivent de l’énergie acoustique déformant une membrane qui la restitue sous forme de variation de potentiel électrique ou de capacité)
-microphones électrodynamiques (ils reçoivent de l’énergie acoustique déformant une membrane ou un ruban et la restituent sous forme de variation d’intensité électrique ou de réluctance)
-microphones à fibres optiques, à charbon, à condensateur, à électret, etc
-l'admittance d'un microphone
est i'a = [M*² + (m.f - W'/ f)²]1/2/ vc²
avec i'a(kg/s-sr)= admittance acoustique
M*(kg/s)= coefficient de frottement visqueux du milieu
W’(J/m²)= raideur de l’appareil
f(s-1)= fréquence
vc(m/s) = célérité du son
On a aussi B*.S = [M*² + (m.f - W'/ f)²]1/2
avec B*(kg/s-m²)= impédance acoustique spécifique
S(m²)= surface
M*(kg/s)= coefficient de frottement visqueux
W’(J/m²)= raideur de l’appareil
f(s-1)= fréquence
-l'alimentation électrique d'un microphone
comme la tension est faible, il lui faut nécessairement un préampli et un ampli
-la courbe de réponse d'un microphone
est la courbe de son comportement envers les fréquences de sons qui lui sont soumises
-la directivité(ou directionnalité) d'un microphone
est l'incidence de la direction d'arrivée des sons sur la membrane de l'appareil.
On distingue:
-un micro omnidirectionnel (isotrope sur un angle solide de 4p)
-un micro hémisphérique (isotrope sur un angle solide de 2p)
-un micro bidirectionnel (section en forme de 8)
-un micro cardioïde (dont la section des paramètres d'audition est en forme de coeur)
-un micro canon (ou en trèfle à 4 feuilles)
On définit le facteur de directivité d’un microphone par
F’y= (pa)² / (ps)² = (b*a)² / (b*s)²
avec pa(J/m3) = pression acoustique axiale, prise à 1 mètre
ps(J/m3) = pression acoustique multidirectionnelle (sur une sphère de rayon 1 mètre)
b*a est l’efficacité axiale, prise à 1 m., et b*s est l’efficacité de comparaison --d’un champ diffusé sur une sphère de 1 m de rayon--
L'incidence de la directivité est au maximum de 10 décibels
-l'effet de proximité pour un microphone
est l'accentuation des basses fréquences--dûe au déphasage des ondes pendant la traversée de sa membrane--
-l'efficacité d'un microphone est l'inverse de la sensibilité --à voir plus bas--
(pression ac° quadr / tension eff°)
-l'impédance d'un microphone
est (Z) sa résistance interne au passage du courant électrique.Elle est dite impédance de sortie: elle est considérée faible (si Z < 1 000 Ohms), ou bien moyenne
(si 2 000 <Z< 15 000 W) ou bien forte, si Z > 20 000 W
Les micros usuels ont une faible impédance (quelques centaines d'W)
On a la relation classique Z = U² / P = carré de la tension / puissance
Cas particulier: si l'impédance est de 8 Ohms, et si on parle de niveau acoustique de puissance (de 1 Watt à 1 mètre) on a alors une tension basique U = (8)1/2= 2,83 Volts
Grâce à son impédance, le micro est un générateur de tension
-le niveau acoustique maximal accepté par un microphone
est usuellement de 115 à 130 dBSPL
-le niveau d'efficacité d’un microphone
est la variation du niveau sonore qu'il provoque (exprimée en dBSPL)
-la puissance d'un microphone
supposons un microphone possédant une membrane de 25 mm de diamètre (donc une surface de 4×?10−4 m²) atteint par une onde sonore perpendiculaire sous une pression acoustique efficace de 1 Pa (ce qui correspond à environ 112 dB) la puissance développée est(P= p.S.v) soit 50 µW.
La puissance surfacique reçue par un micro est
p* = (P’.cosθ.Ω.bt.yρ) / l2
où p*(W/m2)= puissance surfacique reçue
P’(W/sr)= intensité énergétique
θ(rad)= angle d’incidence du rayonnement avec la normale
Ω(sr)= angle solide
bt(nombre)= coefficient d’absorptivité du milieu
yρ(nombre)= coefficient de réflectivité
l(m)= distance entre émetteur et récepteur
La puissance théorique est P = p*. l2
toutefois, cette puissance théorique n'est pas utilisée en pratique et on voit surtout exprimées:
---la puissance moyenne (en Watts AES), valant 2 à 4 fois plus que les Wattsthéoriques)
---la puissance efficace (en Watts RMS) , valant 3 à 6 fois plus que les Watts théoriques)
-le rapport signal-bruit (S/B)
Dans les microphones dynamiques, il y a génération de bruit dû à l’agitation thermique des électrons à l’intérieur de la bobine mobile, ainsi que de bruit dû aux chocs des molécules d’air sur la membrane et encore de bruit électronique (la tension phosphométrique).
Tous ces bruits parasites regroupés sont comparés au niveau sonore acoustique de référence, choisi égal à 94 dBSPL Le rapport comparatif est dit rapport (S/B)
-le rendement d'un microphone
a des valeurs pratiques entre 0,5 et 5%
-la sensibilité d’un microphone
-la sensibilité d’un microphone
est b*(en V/Pa) = Ueff/ pquad
avec Ueff(V)= tension efficace de sortie et pour 1 kHz
et pquad (Pa)= pression acoustique quadratique
Les valeurs pratiques de b* sont faibles (1 à 5 mV/Pa pour les micros dynamiques et 10 à 50 mV/Pa pour les micros statiques)
Plus la source sonore est faible, plus il faut une sensibilité élevée
-la sensibilité relative d'un microphone
est l'échelle logarithmique de la sensibilité ci-dessus, à savoir
20log(b*/b*0) où b*0 est la sensibilité basique choisie --mais qui hélas, varie avec les constructeurs (1 V/Pa ou 1V/microbar, ou autre...)
Celà peut conduire à avoir une sensibilité relative négative, si le niveau choisi est trop haut par rapport à la réalité
-le souffle d'un micro
est le bruit de fond perceptible en l'absence de tout signal traité, mais provenant des électrons remuant dans chaque élément de la chaîne de traitement des sons.