A4.APPAREILS ACOUSTIQUES

-appareils récepteurs de sons

CARACTÉRISTIQUES des RECEPTEURS de SONS

Le coefficient électroacoustique compare, pour un appareil restitueur, l’énergie (électrique) qu’il a produite à l’énergie (acoustique) reçue

L'efficacité d’un appareil acoustique est le rapport entre la puissance acoustique restituée et la puissance totale injectée (toutes fréquences confondues)

Elle se mesure à une distance donnée)   Dimension L-1

 

Le facteur électroacoustique est, pour un appareil, le rapport comparatif entre:

le voltage (électrique, émis) et la pression (acoustique, reçue)

Equation aux dimensions  :  L3.T-1.I-1       Symbole de grandeur : β*      

Unité S.I .+ = le V/Pa

 β* = U / pa

 β*(V/Pa)= facteur électroacoustique d’un appareil récepteur de son

pa(Pa)= pression acoustique à 1 mètre de distance

U(V)= tension électrique à laquelle il est soumis

 

La puissance surfacique reçue par un récepteur acoustique

p* = (P’.cosθ.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

 

Le rendement électroacoustique d'un appareil

 est l’inverse du facteur électroacoustique vu plus haut et il est utilisé pour des appareils émetteurs de sons, pour savoir combien ils consomment d'énergie électrique.

C'est donc c’est le rapport entre: (pression acoustique produite) et (voltage électrique consommé)

Equation aux dimensions : L-3.T.I (idem Charge volumique)       Symbole grandeur : V’r     

Unité S.I .+ : le Pascal par Volt est le rendement électroacoustique d’un appareil émetteur de sons qui, sous une tension électrique de 1 Volt, permet d’émettre avec pression acoustique de un Pascal à un mètre de distance

V’r = pa / U

où V’r(Pa/V)= rendement électroacoustique d’un émetteur de son (par exemple la partie motrice d’un Haut-parleur)

pa(Pa)= pression acoustique à 1 mètre de distance

U(V)= tension électrique à laquelle il est soumis

 

LES NIVEAUX ACOUSTIQUES

Les niveaux sont des caractéristiques de l'oreille et non des appareils

Le niveau sonore dit  niveau de puissance acoustique = 10 log(P1/ P0)

où P sont les puissances acoustiques comparées (niveau exprimé en Bels)

Le niveau sonore dit niveau d’insonorisation(i*i)- ou facteur d’insonorisation-

est un cas particulier du précédent = log (P incidente/ P réfléchie) les P étant les puissances acoustiques

Le niveau sonore dit  niveau dintensité acoustique(en abrégé niveau acoustique)

est le rapport logarithmique entre 2 intensités acoustiques >>10 log(P'1/ P'0)

où P' sont les intensités acoustiques (niveau en Bels ou en dB, unité 10 fois moindre)

Pour un appareil récepteur, le niveau d’intensité diminue d’une valeur constante à chaque doublement de distance (cette valeur est de 6 dB dans l’air, avec augmentation due à l’atténuation, dès que la distance augmente)

Le niveau sonore dit niveau d'intensité à un mètre de distance (ou SPL)

Utilisé en particulier pour les appareils du genre enceintes d'écoute.

C'est un niveau comme ci-dessus, mais à une distance donnée donc l'unité est alors le Bel par mètre (ou dB/m) Les valeurs usuelles de ces appareils vont de 110 à 140 dB/m

Le volume électroacoustique est le rapport entre le volume sonore d’un son réel et sa représentation à travers un appareil électrique qui le mesure.

L’unité d’usage est le Vu (volume unit) -qui vaut 1 déciBel, avec 2 précisions supplémentaires :

-- fréquence de définition égale à 10-3 Hertz

-- l’origine de l’échelle correspond à une puissance dissipée de 10-3 Watt, dans une résistance de 600 Ohms d’un appareil de mesure appelé "Vumètre"

 

LES SENSIBILITÉS ACOUSTIQUES

1.Sensibilité ordinaire = minimum de perception de l'oreille humaine entre 2 intensités acoustiques (au mieux, ce sont 2 commas)

2.Sensibilité relative d’un appareil de son (θ’) = comparaison entre une valeur de la puissance d’alimentation de l’appareil et la pression acoustique qui en ressort 

θ = (P)1/2 / p

avec θ(racine carrée d’une vitesse)= sensibilité relative de l’appareil

P(W)= puissance électrique absorbée par l’appareil

p(Pa)= pression acoustique émise

3.Sensibilité électroacoustique avec symbole β*o

Elle permet de comparer les facteurs acoustiques sous forme logarithmique:

la conversion relative est donnée par la relation 20.log(β*/ β*o)

4.Sensibilité au champ électrique

Certains appareils (dits décibelmètres) sont prévus pour donner la sensibilité au champ d'induction électrique E : avec    niveau T' = 20.log E  

(ce qui donne un niveau T' = 0 pour = 1μV/m,

un niveau T' = 20 pour = 10 μV/m, 

un niveau T' = 40 pour = 100 μV/m, etc)

 

 

ÉQUATION CLASSIQUE (UTILISABLE POUR les APPAREILS ACOUSTIQUES)

i'a.Ω = [M*² + (m.f - W'/ f)²]1/2

avec i'a(kg/s-sr)= impédance acoustique

 Ω(sr)= angle solide

M*(kg/s)= coefficient de frottement visqueux

W’(J/m²)= raideur de l’appareil

f(s-1)= fréquence

 

TYPES d'APPAREILS ACOUSTIQUES

Le casque d'écoute 

Les caractéristiques de ces appareils ont actuellernent les plages de grandeurs ci-après:

puissance 0,2 à 0,4 W

niveau 100 à 120 dB

impédance 50 à 70 Ohms

fréquences audibles (hauteur) 10 à 30.000 Hz(mels)

Les casques de sécurité auditive ont pour but de diminuer la nuisance des sons environnants (les sons retombent dans des zones proches de 20 à 30 dB)

 

Le microphone

Appareil fondamental de la famille des transducteurs, incluant les types suivants :

-microphones piézo-électriques (ils reçoivent de l’énergie acoustique sous forme de variation de pression et la restituent à travers un cristal piézo 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 qui déforme une membrane qui la restitue sous forme de variation de potentiel électrique ou de capacité)

-microphones électrodynamiques (ils reçoivent de l’énergie acoustique qui déforme une membrane ou un ruban qui la restitue sous forme de variation d’intensité électrique ou de réluctance)

-microphones à fibres optiques, à charbon, etc

-le niveau d’efficacité d’un microphone est   b*(en V/Pa) = Ueff / peff

avec Ueff(V)= tension efficace

peff(Pa)= pression efficace

-le facteur de directivité d’un microphone est F’y= (pa)² / (ps)² = (b*a)² / (b*s

avec pa(J/m3) = pression acoustique axiale, prise à 1 mètre

ps(J/m3) la 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 d’un champ diffusé sur une sphère de 1 m de rayon

-la sensibilité d’un microphone est (20.log b*)

 

Les récepteurs à usage acoustique

L’appareil récepteur simple fondamental est l’ouïe humaine

qui équivaut à un transducteur biologique (reçoit de l’énergie acoustique sous forme de variation de pression et la restitue au cerveau, à travers une membrane sous forme de variations chimico-électriques)

 

Le transducteur

est un organe recevant une énergie depuis un système émetteur et retransmettant -aux pertes près- l’énergie sous une forme ou une autre.

Exemples: transducteur électromécanique ou mécanoélectrique (= récepteur)

 

Le sonar est un appareil de mesure des distances dans un milieu liquide (surtout en eau de mer)

 

Le sonar peut être passif et alors il ne fait qu'analyser les sons émis par des objets immergés (sous-marins, cétacés, séismes...)

 

ou il peut être actif et alors il envoie une onde grâce à un émetteur transducteur (dit projecteur) et analyse son écho au retour à l'aide d'un autre transducteur (dit hydrophone).

 

L'équation donnant la distance par sonar, est l = v.t / 2 (le facteur ½ indiquant l'aller-retour, v étant la célérité de l'onde émise et t le temps)

 

L'équation donnant la célérité est v = l. f  où l est la longueur d'onde et f la fréquence

 

v varie car des paramètres du milieu interviennent comme salinité, pression des profondeurs et température (mais en général f est fixe, alors que l varie)

 

 

 

Energétiquement les signaux sonar sont atténués par la distance, les objets parasites, les paramètres qualitatifs de l'eau, etc

 

L'équation donnant le bilan énergétique des signaux est (tous étant exprimé en déciBels)

 

Signal résiduel = [Emission + Signal de la cible + Retours d'objets indépendants] - [l'indice de pertes] - [le bruit des indésirables]

 

Les fréquences d'émission sont de l'ordre de 10 kHz el l'angle solide d'un faisceau émis est de 2° à 30° d'angle de cône

 

 

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-émetteurs acoustiques

Une source acoustique émettrice est considérée comme ponctuelle si son rayon est inférieur au (1/6) de la longueur d’onde émise

 

EMETTEURS ACOUSTIQUES SIMPLES

-appareils à cordes(1 degré de liberté) Exemples: corde vibrante, violon, banjo, piano

f = v/ λ      et        λ = 2l / (n+1)

λ(m)= longueur d’onde

vc(m/s)= vitesse du son

f(Hz)= fréquence

l(m)= longueur de la corde

n= nombre entier de l’ordre harmonique

Les harmoniques successives sont de fréquences:

f0 pour n = 0 (fondamentale),

puis 2fpour n= 1, puis 3fpour n= 2.etc....

 

-appareils à tige vibrante(assimilé à 1 degré de liberté) Exemple: xylophone

mêmes formules que ci-dessus

 

-appareils à membrane(2 degrés de liberté)

Exemple: caisson cylindrique avec peau

f = vc/ λ      et   λ = [2p. lr.vc.(ρ' / βm)1/2] / K

avec λ (m)= longueur d’onde

f(Hz)= fréquence

vc(m/s)= vitesse du son

βt(Pa-1)= coefficient d’élasticité (ou compressibilité) isotherme de la membrane

lr(m)= rayon de la membrane supposée circulaire

ρ'(kg/m3)= masse volumique

K est une constante dimensionnelle (de Bessel)

 

-appareils à vibration volumique (3 degrés de liberté)

Exemples: cloche ou résonateur de Helmoltz (cavité sphérique)

 

-appareils à vibration d’air(3 degrés de liberté)

Exemples: orgue, sifflet, sirène, cuivres, tubes vibrants

Fréquence d’une sirène: f = nt.ω

avec nt= nombre de trous par circonférence

ω = vitesse angulaire (en nombre de tours par seconde)

Fréquence (et harmoniques) issues d’un tuyau fermé:

f = (2ne+1).vc/ 4l   avec ne= entier 1, 2, 3, ....

vc(m/s)= vitesse de phase

l(m)= longueur du tuyau

Fréquence d’un sifflet: f = K.vc/ l

avec K= constante de forme du sifflet

vc(m/s)= vitesse du son

l(m)= distance entre orifice de sortie et arête de butée de l’air éjecté

Cas d'un fouet

Le claquement est l'expression de l'énergie cinétique de la lanière, transmise jusqu'à l'extrémité grâce à une onde provoquée

La vitesse de l'extrémité d'un fouet est d'environ 2,5 fois la vitesse du son (dans l'air)

Mais ceci correspond à une courte durée (1/1000 seconde)

L'accélération au bout est de 5.105 m/s²

 

 

EMETTEURS ACOUSTIQUES ÉLECTROMÉCANIQUES

On distingue parmi les types d’appareils émetteurs électromécaniques :

-les casques d'écoute 

Les caractéristiques de ces appareils ont actuellernent les plages de grandeurs ci-après:

puissance 0,2 à 0,4 W

niveau 100 à 120 dB

impédance 50 à 70 Ohms

fréquences audibles (hauteur) 10 à 30.000 Hz(mels)

 

-les casques de sécurité auditive ont pour but de diminuer la nuisance des sons environnants (les sons retombent dans des zones proches de 20 à 30 dB) Mais ils ne sont pas émetteurs

 

-les transducteurs

sont des appareils transformant un signal d'une certaine nature en un autre signal, de nature différente (électro-acoustique, acoustico-électrique, piézoélectrique, thermoélectrique, etc)

 

-les microphones

sont des appareils fondamentaux de la famille des transducteurs, qui comporte plusieurs types :

-microphones piézo-électriques (ils reçoivent de l’énergie acoustique sous forme de variation de pression et la restituent à travers un cristal piézo 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 qui déforme une membrane qui la restitue sous forme de variation de potentiel électrique ou de capacité)

-microphones électrodynamiques (ils reçoivent de l’énergie acoustique qui déforme une membrane ou un ruban qui la restitue sous forme de variation d’intensité électrique ou de réluctance)

-microphones à fibres optiques, à charbon, etc

-le niveau d’efficacité d’un microphone est   b*(en V/Pa) = Ueff / peff

avec Ueff(V)= tension efficace

peff(Pa)= pression efficace

-le facteur de directivité d’un microphone est : F’= (pa)² / (ps)² = (b*a)² / (b*s

avec pa(J/m3) est la pression acoustique axiale, prise à 1 mètre

ps(J/m3) la pression acoustique multidirectionnelle (sur une sphère de rayon 1 mètre)

b*est l’efficacité axiale, prise à 1 m., et b*est l’efficacité d’un champ diffusé sur une sphère de 1 m de rayon

-la sensibilité d’un microphone est (20.log b*)

 

-les haut-parleurs (ce sont des transducteurs, transformant les courants électriques en ondes acoustiques, à l'aide d'une membrane qui est mise en vibration par un courant alternatif)

Il y a 3 familles de haut-parleurs : électromagnétiques, électrodynamiques, optiques

Les 3 paramètres les plus importants d'un H.P. sont : sa puissance électrique (le maxi admissible)---son rendement (exprimé en %) et sa sensibilité (exprimée en dB par Watt à 1 mètre de distance) exprimée par une équation logarithmique compliquée, où elle est fonction du rendement, de l'impédance et de la fréquence

Exemple d’un haut-parleur électrodynamique (le plus fréquent)

-son impédance totale est  Z= Z+ g'.Z2

Z1étant l’impédance électrique

Z2 l’impédance due à la partie mécanique d’équipage mobile

g' le rapport gyromagnétique

-sa puissance en est déduite (loi d'Ohm) Une forte puissance n'est pas du tout le critère d'une bonne qualité

-son facteur de force est = (champ x longueur du bobinage)

qui est aussi le rapport: (force produisant le mouvement de la partie mobile) / (intensité)

Ce facteur est similaire à un potentiel d’induction magnétique, mesuré en (N / A) (ou Wb/m)

-son rendement (ordinaire) est le rapport (puissance acoustique rayonnée) /(puissance électrique qu’il absorbe)

La valeur pratique de ce rendement est faible = 1 à 4% (beaucoup d'énergie part en chaleur dans les bobinages)

 

APPAREILS ÉMETTEURS-RÉCEPTEURS

-efficacité d'un appareil acoustique

C'est le rapport entre 2 grandeurs énergétiques proches (l'une à l'émission et l'autre à la réception de l'appareil)

Cas usuel de l'efficacité d'un appareil

C'est le rapport entre la puissance acoustique restituée et la puissance totale injectée (toutes fréquences confondues)

Elle se mesure à une distance donnée, donc est fonction de l'inverse de la distance

Cas du niveau d’efficacité d’un microphone

C'est ici le rapport entre tension électrique et pression

b*(en V/Pa) = Ueff / peff

avec Ueff(V)= tension efficace et peff(Pa)= pression efficace

 

-effet Larsen 

pour un émetteur électromécanique (type haut-parleur): il apparaît un sifflement, provenant d’un son qui, émis par le haut-parleur, est repris par un micro voisin, créant des oscillations de résonance, avec augmentation de l’amplitude jusqu’au maximum de ce que peut retransmettre le haut-parleur

 

-les téléphones portables  émettent en micro-ondes dans des bandes de fréquences de l'ordre de 1 GHz pour la 1° génération, puis de 1,6 à 2,5 GHz pour les 2° et 3° générations.

Ils possèdent des puces contenant plus de 108 transistors, permettant un traitement de # 1010 bits

Le champ électrique émis par un portable est de # 1 à 3 V/m, selon le lieu (le danger pour l'homme étant établi à 40 V/m)

 

EMETTEURS-GENERATEURS de FROID

Il s'agit d'appareils générateurs d'un son émis dans un cylindre contenant un gaz.

L'onde sonore comprime et échauffe le gaz à l'aller, puis détend et refroidit le gaz dans son retour, après réflexion au fond du cylindre

Un double échangeur de chaleur (aux 2 bouts) permet de récupérer de l'énergie -dont du froid, côté départ- et on peut ainsi liquéfier des gaz (120 Kelvins)

 

QUALITES des APPAREILS ACOUSTIQUES

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