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Thème : Son et musique
Chap. 2 Emetteurs et récepteurs sonores
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Microphone et haut–parleur
Mots-clefs : Microphone ; enceintes acoustiques.
Contexte du sujet :
Un microphone convertit les ondes sonores en signaux électriques. Un haut-parleur réalise l’opération inverse, il
émet des sons à partir des signaux électriques qu’il reçoit.
Quels sont les points communs entre un microphone et un haut parleur électrodynamiques ?
PARTIE A : ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES
Document 1 : Principe du microphone électrodynamique
Un microphone électrodynamique est constitué de deux
éléments principaux : une bobine (formée à partir d’un
enroulement d’un fil conducteur) et un aimant. La bobine est
mobile, elle est placée dans le champ magnétique crée par
l’aimant qui lui est fixe.
Une membrane souple, solidaire de la bobine capte les vibrations de l’air engendrées par une onde sonore. Les
déplacements de la bobine, provoqués par ceux de la membrane, dans le champ magnétique de l’aimant créent une
tension électrique U aux bornes de la bobine.
C’est le phénomène d’induction électromagnétique.
La fréquence de la tension électrique obtenue est égale à celle des vibrations de l’air, donc à celle du son
correspondant à ces vibrations.
L’amplitude de cette tension est d’autant plus grande que le niveau d’intensité sonore est grand.
Document 2 : Caractéristiques techniques d’un microphone
Les caractéristiques d’un microphone sont indiquées sur la fiche technique du constructeur.
 La bande passante est le domaine de fréquences qu’il capte convenablement. Elle se déduit de la courbe de
réponse du microphone. Cette courbe est la représentation graphique du niveau de sortie, exprimé en dB, en fonction
de la fréquence du son qu’il capte. Par convention, on affecte le niveau 0 dB à la valeur obtenue pour 1000 Hz.
 La sensibilité est son aptitude à fournir
une tension élevée pour des sons de faible
niveau d’intensité sonore. Un microphone de
grande sensibilité captera bien les sons peu
intenses, mais sera sensible aux parasites
sonores.
 La directivité est une caractéristique
essentielle du microphone, elle caractérise
son aptitude à réagir en fonction de la
provenance du son, selon son axe central.
Un micro omnidirectionnel capte les sons
provenant de toutes les directions ; un
microphone directif capte les sons
provenant d’une seule direction.
L’axe du microphone est l’axe défini par l’angle θ = 0°, la membrane pointant vers la graduation 0°. On déplace la
source sonore le long d’un cercle centré sur le microphone.
Courbe de réponse dans le domaine des sons audibles

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Chaque position de la source est repérée par l’angle θ. On compare la
réponse du microphone pour une position θ à celle obtenue lorsque la
position de la source est repérée par θ = 0°. Cela permet de calculer un
niveau de réponse, exprimé en dB. Une valeur négative traduit un
microphone qui capte moins bien les sons dans la direction q que dans la
direction de référence (0°).
Par exemple le Shure SM58 n’est pas
omnidirectionnel pour des sons de fréquences
125, 2000 ou 8000 Hz. Cependant, il capte
mieux les sons de 125 Hz en arrière de lui (de
150° à 180°) que les sons de 2000 Hz.
Animation : Fonctionnement d’un microphone : http://tpe.57.free.fr/micro.swf
Document 3 : Principe du haut-parleur électrodynamique
« Le haut-parleur le plus largement utilisé (à 99%) est le haut-parleur électrodynamique.
Sa fonction dans une enceinte est d’agir comme un double transformateur d’énergie :
 Premièrement il reçoit le signal audio, qui est une énergie électrique, qu’il va transformer en une énergie
mécanique. En effet, certaines parties du haut-parleur (la bobine mobile) vont se mettre en mouvement lorsqu’un
signal audio est reçu.
 Deuxièmement il transforme cette énergie mécanique en une énergie acoustique, grâce à sa membrane. Celle-ci
est reliée à la bobine mobile, et aura donc les mêmes mouvements que cette dernière. Et c’est en se déplaçant
sous l’action de la bobine mobile que la membrane créera une pression acoustique, le son. »
Un haut-parleur électrodynamique comporte deux éléments
essentiels : une bobine mobile et un aimant fixe. La bobine est
placée dans le champ magnétique créé par l’aimant.
Lorsque la bobine est traversée par un courant électrique elle
est soumise à une force de Laplace qui la déplace
horizontalement dans un sens. Quand le courant change de
sens, la force de Laplace s’inverse et la bobine se déplace dans
l’autre sens.
Les déplacements de la bobine sont transmis à la membrane
du haut-parleur qui, à son tour, fait vibrer l’air qui l’entoure
pour produire un son qui se propage dans l’air.
La force de Laplace
Un matériau conducteur, parcouru par un courant électrique et placé
dans un champ magnétique, est soumis à une force électromagnétique
appelée force de Laplace (Pierre-Simon de Laplace, 1749-1827,
mathématicien, astronome et physicien français).
Réaliser l’expérience du doc.1 et observer.
 changer le sens de circulation du courant électrique.
 changer le sens du champ magnétique créé par l’aimant.
Réponse en fonction de la
direction pour trois fréquences

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Vidéo de l’expérience : http://www.youtube.com/watch?v=K9ks_DNPAFQ&feature=youtu.be
1. Schématiser l’expérience permettant de mettre en évidence la force de Laplace.
2. De quels paramètres dépend le sens de la force de Laplace ? Répondre à cette question en utilisant des
observations expérimentales.
3. Remplacer le générateur de tension continue par un GBF (générateur de tension alternative). Qu’observe-t-
on ?
Autre expérience mettant en évidence la force de Laplace :
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/force_de_laplace
_rail_regle_trois_doigts_main_droite.htm
On emploie la main droite : le pouce = poussée ; index = intensité ; majeur = magnétisme
Document 4 : Caractéristiques techniques d’un haut-parleur
Les caractéristiques d’un haut-parleur sont indiquées sur la fiche
technique du constructeur.
 La bande passante d’un haut-parleur est le domaine de
fréquences des sons qu’il est capable de restituer. La bande
passante se déduit de la courbe de réponse du haut parleur. Cette
courbe est la représentation graphique du niveau d’intensité
sonore obtenu, exprimé en dB, en fonction de la fréquence de la
tension qui l’alimente, exprimée en Hz.
Un boomer (ou woofer) (1) est un haut-parleur dont la bande
passante est située dans les basses fréquences. Il restitue
essentiellement les sons graves.
Un médium (2) restitue les sons de fréquences moyennes. Un tweeter (3) restitue les sons aigus.
 La couverture angulaire d’un haut parleur est son aptitude à diffuser des sons dans le plan horizontal et dans le
plan vertical.
 La puissance admissible d’un haut-parleur est la puissance électrique maximale qu’il peut supporter sans dégâts.
Au-delà de cette valeur, le haut-parleur sera endommagé.
 Le rendement d’un haut-parleur mesure sa faculté à transformer la puissance électrique reçue en puissance
mécanique.
Vocabulaire
Transducteurs : Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.
Bande passante de trois haut-parleurs

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A partir des différents documents, répondre aux questions :
4. En argumentant, comparer la directivité du microphone (doc. 2) pour diverses fréquences.
5. Pourquoi le choix d’un microphone est-il notamment guidé par sa bande passante ?
6. Les graphes ci-contre sont les courbes de réponse en
fréquence de trois haut-parleurs.
Les haut-parleurs de référence DE35, 8PE21 et 12PS100 sont-
ils des boomers, des médiums ou des tweeters ?
7. Comparer les rôles d’un microphone et d’un haut-parleur à
ceux de l’appareil vocal et de l’oreille humaine.
8. Résumer le principe de fonctionnement d’un microphone et
d’un haut-parleur électrodynamiques en précisant les
éléments constitutifs communs. Identifier les transferts
d’énergie qui ont lieu.
Résumé : http://lyc-moulin-st-amand.tice.ac-orleans-tours.fr/eva//sites/lyc-moulin-st-
amand/IMG/UserFiles/Flash/phy/hp-mic.swf
Bande passante de trois haut-parleurs

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PARTIE B : RESOLUTION DE PROBLEMES SCIENTIFIQUES
On considère un haut-parleur émettant une onde sonore qui se propage
librement. Le niveau d’intensité sonore mesuré à 1 m du haut-parleur,
sur son axe principal, est L1 = 110 dB.
Le diagramme d’émission du haut-parleur est reproduit ci-contre. On le
suppose utilisable pour toutes les fréquences audibles. En un lieu donné,
le niveau d’intensité sonore du son émis par le haut-parleur dépend de
la distance entre ce lieu et le haut-parleur mais aussi de la direction sous
laquelle ce lieu est vu depuis le haut-parleur. Cette direction est repérée
par un angle exprimé en degré.
Pour une distance donnée, ce diagramme permet de connaître la perte
relative du niveau d’intensité sonore en fonction de l’angle par rapport à
l’axe principal du haut-parleur.
Le niveau d’intensité sonore mesuré sur l’axe principal (θ = 0°) constitue la valeur de référence (perte nulle).
Données :
- Niveau d’intensité sonore : L = 10.log 𝐼
𝐼0 en dB.
- Intensité sonore de référence : I0 = 1,0 x10-12 W.m-2.
- L’intensité sonore I à une distance d d’une source émettant dans toutes les directions est liée à la puissance sonore
P de cette source par la relation : I = P / S avec S, la surface de la sphère sonore de rayon d telle que S = 4П.d2.
- Si x = log(a) alors a = 10x ; log(a x b) = log(a) + log(b)
Problème 1:
Quel est le niveau d’intensité sonore mesuré à 50 m du haut-parleur dans une direction faisant un angle de 60° avec
l’axe principal du haut-parleur ?
Problème 2 :
Montrer que le niveau d’intensité sonore diminue de 6 dB à chaque fois que la distance entre le haut-parleur et le
sonomètre, qui mesure le niveau d’intensité sonore, double.