Conference microphones

CONFERENCE MICROPHONES PAR
GUNNAR RASMUSSEN
Société G.R.A.S., Danemark
Introduction
Les microphones représentent le lien le plus important entre la variation de pression acoustique
du milieu élastique et le signal électronique à traiter.
La mesure acoustique moderne utilise dorénavant les microphones à condensateur.
Les efforts se concentrent, pour le futur, sur les microphones micro-usinés en silicium.
Ces techniques sont prometteuses pour des mesures spécifiques nécessitant des petits capteurs
(niveaux de pression très élevés).
La sensibilité de ce type de capteur est cependant trop faible pour une utilisation classique.
Aussi, ils nécessitent d'être fabriqués en grande quantité pour des raisons de compétitivité
économique.
Toutefois, leurs caractéristiques sont encore trop éloignées de celles requises par les mesures
acoustiques.
Principe de fonctionnement des microphones à condensateur
Le microphone consiste en un diaphragme métallique fin placé à proximité d'une contreplaque
rigide.
Ceci forme un condensateur dont le diélectrique est l'air. Sa capacité varie avec le mouvement
du diaphragme dû à l'excitation de forces externes comme la pression sonore. Cette capacité
variable est transformée en signal électrique de la manière suivante :
en combinant les formules :
Q = CV et C = εA/d
on obtient
V = Q/C = (Q/ εA)d
où
Q = charge sur contreplaque
C = capacité du microphone
V = tension de polarisation
A = surface du microphone
d = distance entre le diaphragme et la contreplaque
∆D = variation de distance d causée par le changement de pression
∆V = variation de tension causée par ∆D.
Un changement de distance entre le diaphragme et la contreplaque, d, est converti en une
variation de tension :
∆V = Q/C = (Q/ εA) ∆D
La charge Q est maintenue constante.
Ceci nécessite la fourniture soit d'une tension continue au travers d'une charge résistive haute
impédance soit d'une pré polarisation électrique de la contreplaque.
La combinaison avec la capacité du microphone donne une constante de temps longue
comparativement à la période des ondes sonores.
En connectant le microphone à condensateur à un amplificateur au travers d'une capacité de
couplage, la tension continue est annulée, laissant ainsi la tension alternative comme réplique
électrique des variations de pression acoustique.
Pour que le diaphragme soit en mouvement, une différence de pression doit exister entre le
devant et l'arrière du diaphragme. Si l'air derrière la diaphragme était en contact direct avec
l'extérieur, la pression instantanée de part et d'autre du diaphragme serait la même ; le
mouvement du diaphragme serait alors nul. La pression à l'intérieur du microphone doit
cependant être conservée constante, ce qui est obtenu en étanchéifiant la cavité, excepté un
trou d'égalisation de pression.
L'impédance acoustique de ce trou est plus grande que l'impédance acoustique du volume
interne.
Des fuites d'air arriveront uniquement à basses fréquences, permettant ainsi l'équilibrage de
pression statique et évitant la mise en contrainte statique du diaphragme.
Les microphones de mesure ont été développés spécifiquement pour obtenir des mesures
quantitatives fiables quelques soient les conditions d'environnement.
Les microphones de communication sont plutôt conçus pour transférés des signaux. Rien ne
sert d'avoir une instrumentation de haute précision et d'introduire des erreurs microphoniques.
Une erreur de 0,5 dB peut être très importante pour la mesure alors que 3 dB d'erreur n'auront
pas de conséquence pour un bon transfert de signal intelligible vers un système de
communication.
Deux types de microphones de mesure à condensateur existent : à polarisation extérieure ou
prépolarisé. Le diaphragme d'un microphone de mesure est caractérisé par une très grande
stabilité de comportement et des propriétés non corrosives grâce à un alliage métallique.
Le diaphragme est décisif pour la sensibilité et la gamme de fréquence du microphone.
Les microphones à polarisation extérieure sont les microphones les plus fiables surtout s'ils
sont utilisés en combinaison avec la technique d'étalonnage "phantom" conçu par G.R.A.S..
Les microphones pré polarisés sont pratiques car une polarisation externe est évitée et qu'ils ne
sont pas susceptibles au bruit.
La société G.R.A.S. produit les deux types de microphones.
Ils sont fabriqués avec les meilleures techniques disponibles à ce jour sans aucun compromis
sur les matériaux et les méthodes de fabrication.
Ils sont artificiellement vieillis à 150°C.
Les microphones à polarisation externe ont été exposés à 300°C sans dégradation des
matériaux.
La conception des microphones G.R.A.S. est basée sur plus de 40 années d'expérience et
l'invention des microphones de mesure 1/2", 1/4" et 1/8" qui ont fait leur preuve de stabilité et
de performance depuis plus de 30 ans.
La méthode de fabrication de la grille de protection accroît sa solidité. La grille est en acier
inoxydable. L'égalisation de pression statique est très bien définie et peut être facilement
modifiée pour répondre à des demandes spécifiques.
Le matériau composant le diaphragme résiste extrêmement bien à la corrosion.
L'épaisseur du diaphragme est optimisée pour obtenir le meilleur compromis entre la sensibilité
du microphone et sa bande de fréquence. Le résultat global obtenu est le meilleur jamais vu
jusqu'à maintenant sous des conditions d'environnement sévères. Les microphones répondent
aux exigences normatives des microphones de mesure.
Une modélisation paramétrique simplifiée montre les éléments importants entrant dans le
principe de fonctionnement d'une cartouche microphonique à condensateur : la compliance
(inverse de la raideur) est reliée à la tension du diaphragme, la masse est reliée à l'épaisseur du
diaphragme et l'amortissement est lié à l'espace entre le diaphragme et la contreplaque et à la
taille, le nombre et la position des trous sur la contreplaque.
La compliance de la cavité interne est reliée au volume de l'air derrière le diaphragme. Plus le
volume est grand, moins la variation de pression est importante pour une déplacement de
diaphragme donné.
Application des microphones
Plusieurs types de microphones existent :
1° Les microphones avec une courbe de réponse plate donnant directement la pression réelle
sur le diaphragme. Les microphones de réponse en pression plate sont utilisés pour les
mesures en cavité fermée pour les tests des casques, des systèmes d'aide à l'audition, des
équipements de télécommunication, pour les mesures en montage affleurant ...
2° Les microphones type champ libre sont compensés pour tenir compte des augmentations de
pression pour des ondes arrivant perpendiculairement au diaphragme et pour des longueurs
d'onde comparables à la taille du microphone. Ils sont conçus pour mesurer le niveau de
pression sonore au diaphragme comme si le microphone était absent du champ sonore. Ils
doivent être pointés vers la source la plus bruyante. Les microphones de type champ libre
sont utilisés avec les sonomètres répondant aux normes internationales CEI, pour les
mesures électroacoustiques sur les haut-parleurs et les sources sonores en général, quand les
ondes sonores arrivent perpendiculairement au diaphragme.
3° Les microphones de type incidence aléatoire sont conçus pour mesurer les ondes sonores se
propageant aléatoirement dans tous les angles d'incidence de manière équivalente à une
onde plane progressive faisant un angle de 72° avec la perpendiculaire au diaphragme. Les
microphones de type incidence aléatoire répondent principalement aux normes ANSI
réservées au marché Nord Américain. Les champs diffus véritables existent rarement.
L'utilisation de microphone de type champ libre balayé avec un bras ou utilisé avec un
correcteur d'angle d'incidence en forme de nez est préférable.
Les microphones peuvent être conçus pour compenser l'influence de la grille de protection, de
la boule anti-vent ou l'influence d'un objet près du microphone. Ceci doit être gardé dans
l'esprit lors de la sélection du microphone.
Les courbes de correction en champ libre sont des fonctions de la géométrie du microphone, en
majeure partie de la grille de protection et de moindre manière de l'impédance acoustique du
diaphragme. La correction en champ libre est maximale à 0° d'incidence d'une onde plane
progressive, quand la longueur d'onde est égale au diamètre du microphone.
La correction en champ libre varie avec l'angle d'incidence. Elle est toujours la même pour des
microphones identiques et s'ajouter à la réponse en pression mesurée avec l'excitateur
électrostatique.
L'étalonnage par réciprocité résultera en un étalonnage de pression en circuit ouvert avec une
charge du diaphragme différente. Cependant des différences minimes en hautes fréquences
seront constatées si les courbes de correction en champ libre sont ajoutées. D'autres types de
courbes sont nécessaires pour ce cas.
L'influence de l'environnement sur la fiabilité de mesure de microphones est grandement réduite
sur la nouvelle génération des microphones.
Alors que l'ancienne génération utilisait en général des diaphragmes en nickel, la nouvelle
génération utilise des alliages résistant fortement à la corrosion, qui réduisent en même temps
des dérives en sensibilité, et améliorant la résistance aux hautes températures.
Une exposition à une température de 300°C pendant plusieurs heures entraîne une variation de
sensibilité faible de l'ordre de 0,3 dB.
Le résultat dépend du type et de la tension du diaphragme. Dorénavant, la résistance à la
corrosion et à la manipulation rude est améliorée de manière très significative.
Le bruit généré par le vent est un problème pour les mesures acoustiques en extérieur. Si le
vent gêne la mesure, une boule anti-vent doit être installée sur le microphone et son utilisation
rapportée. En général, l'application d'une boule anti-vent augmente l'imprécision de la mesure à
plus de 1dB.
Une boule anti-vent doit être utilisée pour les mesures de type 1.
Les systèmes de mesure en extérieur G.R.A.S. type 41AM et 41AL sont conçus pour être
utilisés avec un écran anti-vent tout en respectant les spécifications de la classe 1. Ils sont
disponibles pour des configurations de mesure de survol (0°), de bruit en communauté (90°) et
de passage de véhicules.
Il est important de remarquer l'angle de référence. Il doit toujours se référer à la normalisation
CEI en vigueur.
Les microphones d'un système de surveillance d'aéroport doivent avoir une direction de
référence de 0°C et non, comme certains fabricants le recommandent, une incidence de 90°C.
Les erreurs peuvent excéder 3dB si la mauvaise direction de référence est appliquée.
L'utilisation d'un excitateur électrostatique du microphone permet une vérification globale du
système en place, alors qu'un étalonnage par insertion de tension assure une vérification
électrique totale des performances du système. La combinaison de ces deux techniques devrait
satisfaire la majorité des demandes pour une collecte de données fiable et efficace.
Les microphones de mesure de l'intensité acoustique
La paire de microphones d'intensité acoustique type 40AI est une paire de microphones de type
champ libre avec des caractéristiques de phase extrêmement bien contrôlées pour l'utilisation
avec des sondes d'intensité acoustique.
La paire de microphones type 40AI répond aux spécifications classe 1 de la norme CEI 1043
en préparation.
Les microphones sont de type condensateur 1/2" champ libre équipés d'un système
d'égalisation de pression breveté qui assura une limite basse fréquence parfaitement définie.
Les caractéristiques de phase des microphones d'intensité acoustique sont principalement
déterminées par la précision de la limite basse fréquence.
La différence de phase entre les deux microphones de la paire type 40AI est meilleure que
0,05° dans la gamme 20 Hz à 250 Hz et meilleure que F/5000 pour des fréquences F
supérieures à 250Hz. Ces performances ont été obtenues tout en maintenant une très grande
sensibilité pour chaque microphone.
Normalement une sonde d'intensité acoustique consiste en deux microphones qui ont été
spécialement sélectionnés pour respecter les contraintes d'appariement en phase.
La nouvelle conception de la paire type 40AI permet par construction d'obtenir des
caractéristiques de phase meilleures que les exigences de la norme CEI 1043.
La fréquence de coupure basse étant ainsi extrêmement bien contrôlée, les microphones
agissent comme des capteurs à port unique dans le champ sonore. Ils peuvent ainsi être calibrés
aussi bien dans des systèmes d'étalonnage dédiés aux microphones à port unique que ceux
dédiés aux microphones à double port.
La paire de microphones d'intensité acoustique type 40AI peut être utilisées dans la gamme de
fréquence 20Hz-10kHz avec les espaceurs appropriés.
La sonde d'intensité acoustique type 50AI inclut 5 espaceurs (8,12,25,50,100mm) ainsi qu'une
paire de microphones type 40AI. L'ensemble assure un minimum de perturbation du champ
sonore.
La sonde comporte également deux préamplificateurs type 26AA, une poignée télécommande
et des accessoires mécaniques de montage. La télécommande peut être livrée en différentes
configurations : avec une interface RS232 pour les analyseurs NORSONIC, avec des sorties de
contrôle pour les systèmes 01dB et avec un boîtier intégrant la fourniture de la tension de
polarisation pour une connexion directe à des analyseurs non équipés d'entrées microphones
spécifiques.
Les préamplificateurs
Les préamplificateurs type 26AA/B/C/D sont tous basés sur le même substrat à couche mince.
C'est un amplificateur universel avec une impédance d'entrée 20 GΩ , un faible bruit de fond et
une grande gamme dynamique.
Grâce à sa taille, aucun chauffage n'est nécessaire pour maintenir les performances dans des
conditions d'environnement humide.
L'isolement par anneau de garde est très efficace.
Ces préamplificateurs sont plus robustes que la plupart de ces équivalents du marché grâce à
un corps en acier inox, à un filetage soudé laser et pour les types 26AA/C, à un mode de
montage du câble qui a prouvé sa solidité. Un préamplificateur par insertion de tension est
disponible sous la référence 26AE.
Le modèle 26 AD est un préamplificateur destiné à la nouvelle méthode brevetée de contrôle
d'une chaîne de mesure de plusieurs canaux à partir d'un point central. Il peut être utilisé avec
le nouveau microphone type 41AL.
Le nouveau système consiste en un préamplificateur type 26AB modifié pour contenir une
électrode supplémentaire injectant un signal test sur la contreplaque du microphone.
Il n'y a pas de connexion mécanique entre l'électrode et l'entrée du préamplificateur. Ainsi, la
fiabilité ne peut pas être dégradée par des fuites au travers des entrées du terminal. La
vérification est ainsi seulement présente comme une électrode à couplage aérien sans aucun
contact mécanique.
Ce test est nommé l'étalonnage "PHANTOM". Cette méthode est très stable et très bien
définie.
La technique d'étalonnage "PHANTOM" pour des tests à distance permettra de vérifier
complètement la configuration de mesure. Cette technique est sensible au moindre changement
de la capacité du microphone qui agit comme une partie du diviseur de tension sur toute la
gamme de fréquence d'intérêt. Aucune résistance de fuite n'est introduite dans l'espace d'air
entre l'électrode et la contreplaque du microphone.
En effet, l'espace est au moins 30 fois plus grand que l'espace entre le diaphragme et la
contreplaque. Il est insensible aux champs électriques externes.
Etalonnage
L'étalonnage absolu est normalisé (CEI 1094 partie 2).
Les normes d'étalonnage primaire utilisent les méthodes par réciprocité. Les microphones
GRAS type 40AP sont idéalement adaptés pour l'étalonnage par réciprocité.
Les normes d'étalonnage secondaire utilisent la technique par comparaison avec une référence
normative primaire. Le transfert peut être effectué avec n'importe quelle source stable ; il est
réalisé préférablement à 250 Hz car tous les microphones ont généralement une courbe de
réponse linéaire autour de 250 Hz. Les normes permettent des fréquences de référence entre
250 Hz et 1000 Hz.
1000 Hz est souvent utilisé car tous les réseaux de pondération acoustique se réfèrent
habituellement à cette fréquence. Aussi des erreurs peuvent être introduite à 1000 Hz par
comparaison des microphones à réponse en pression plate avec des microphones à correction
de champ libre.
L'étalonnage de la réponse en fréquence est au niveau primaire telle une technique par
réciprocité en champ libre.
Alors que l'étalonnage en champ libre est connu, l'étalonnage en pression est obtenu par
excitateur électrostatique.
Il est important de souligner qu'un microphone de mesure à condensateur avec une polarisation
externe ne peut pas changer de courbe de réponse en fréquence sans changer de sensibilité à
250 Hz. Aussi un étalonnage de la sensibilité du microphone à 250 Hz est suffisant pour
assurer un test efficace.
Un microphone polarisé pourrait en théorie changer de courbe de réponse en fréquence sans
changer de sensibilité à 250 Hz.
Rappelez-vous qu'à 250 Hz un signal pondéré A est de 8,6 dB plus faible que sa valeur linéaire.
Un étalonnage à 124 dB donnera 115,4 dB (A).
Le système de type pistonphone est le moyen le plus fiable pour un étalonnage de terrain.
Les calibreurs de terrain de type source sonore avec microphone de référence intégré ne sont
généralement pas meilleurs que les systèmes sous test, même des fois moins.
Ils peuvent être considérés comme une preuve de répétabilité et non pas comme un moyen
d'ajuster la sensibilité de l'instrument même s'ils sont vérifiés comme des calibreurs.
Conclusion
Les microphones doivent être choisis en fonction de l'application.
Les microphones de type champ libre doivent pointer la source sous test.
Les microphones de type pression doivent être utilisés pour des ondes sonores d'incidence
perpendiculaire à l'axe de symétrie du microphone et dans des champs de pression avec de
faibles mouvements d'onde. Pour des situations exigeantes, où la précision est très importante,
les microphones à polarisation externe devraient être utilisés (mesures légales).
Les écrans anti-vent devraient être utilisés seulement quand nécessaire et peuvent réduire la
précision. S'ils font partie intégrante du système étalonné, ils doivent alors être toujours
utilisés.
L'intensité acoustique est un descripteur correct de l'émission sonore.
La pression sonore est le bon descripteur du son perçu.