14 – Transducteurs et amplificateurs de sortie
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ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie 14 – Transducteurs et amplificateurs de sortie Sommaire Définition ............................................................................................................................. 2 1. 2. Transducteurs électroacoustiques ...................................................................................... 2 2.1. Microphones ................................................................................................................. 3 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5. 2.1.6. 2.1.7. 2.1.8. 2.1.9. 2.1.10. 2.2. Ecouteurs.................................................................................................................... 13 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.4. 2.2.5. 2.3. Description des écouteurs d’aides auditives (figure 20) ...................................................13 Principe de fonctionnement...............................................................................................13 Le haut-parleur électrodynamique ....................................................................................14 Principales caractéristiques des écouteurs (figures 23 à 26) ...........................................14 Aspects acoustiques .........................................................................................................16 Principaux types d’écouteurs électromagnétiques...................................................... 16 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.3.5. 3. Historique ............................................................................................................................3 Caractéristiques des microphones......................................................................................3 Description ..........................................................................................................................5 Le microphone à charbon (figures 3 et 4) ...........................................................................5 Le microphone électromagnétique (figure 6) ......................................................................6 Le microphone piézo-électrique ou céramique ...................................................................6 Le microphone à électret.....................................................................................................8 Le microphone numérique (figures 16 & 17).....................................................................11 Le microphone directionnel ...............................................................................................11 Les microphones spéciaux................................................................................................11 Ecouteur classe A .............................................................................................................16 Ecouteur classe B (ou push-pull) ......................................................................................17 Ecouteur classe AB ...........................................................................................................19 Ecouteur classe C .............................................................................................................19 Ecouteur classe D .............................................................................................................19 Autres transducteurs ......................................................................................................... 21 3.1. Capteur téléphonique.................................................................................................. 21 3.2. Entrée audio et récepteur FM ..................................................................................... 21 3.3. Récepteur FM ............................................................................................................. 22 3.4. Vibrateurs.................................................................................................................... 22 3.4.1. 3.4.2. Vibrateur à pression ..........................................................................................................22 BAHA (Bone Anchored Hearing Aid) ................................................................................22 C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 1/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie 1. Définition Transducteur: Dispositif qui transforme une grandeur physique en une autre grandeur physique, fonction de la précédente (figure 1). (Petit Larousse 2002) CONTROLES TRANSDUCTEUR D’ENTREE TRANSDUCTEUR DE SORTIE ALIMENTATION Figure 1 – structure d’un ACA c Les transducteurs électroacoustiques (microphones et écouteurs), qui transforment des grandeurs acoustiques en grandeurs électriques – et inversement, sont les plus importants dans les aides auditives. Mais on peut aussi citer les systèmes suivants (voir chapitre 4) : – Les capteurs téléphoniques, qui transforment un signal magnétique en signal électrique – Les vibrateurs qui transforment un signal électrique en signal mécanique – Les récepteurs FM qui transforment un signal électromagnétique (onde radio) en signal électrique 2. Transducteurs électroacoustiques Les transducteurs électroacoustiques sont des composants essentiels des aides auditives. Elles comportent toutes au moins un microphone (et souvent deux) dont le rôle est de transformer le signal acoustique d’émission en un signal électrique qui peut alors être traité par l’amplificateur ou par le microprocesseur de l’appareil puis transmis à l’écouteur. Ce dernier a pour rôle de transformer à nouveau le signal électrique en un signal acoustique audible par l’utilisateur malentendant. Les transducteurs électroacoustiques se distinguent par leur technologie, leur taille, leur qualité et leur prix. Comme dans tout système électroacoustique, le choix judicieux des transducteurs est un facteur clé de la qualité de reproduction finale du système. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 2/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie 2.1. Microphones Le microphone est un transducteur électro-acoustique. C’est le plus important des «capteurs d’entrée» des aides auditives. Son rôle est de transformer les variations de pression acoustiques en variations de tension électrique homologues. 2.1.1. Historique Les tous premiers microphones utilisés avec les appareils électriques, au début du siècle, étaient les microphones au charbon. Ils ont vite été remplacés par des systèmes plus évolués. Les recherches relatives à la communication orale, entreprises après le 2e guerre mondiale, ont montré qu’une bande passante de 300 à 3000 Hz était suffisante pour assurer, chez le normoentendant, une bonne intelligibilité dans des conditions de transmission idéale. Cette bande était aussi celle qui donnait les meilleurs résultats au plan de l’intelligibilité quand les conditions de transmission se dégradaient, probablement car elle permettait d’éliminer une partie des perturbations dans des zones non essentielles pour la communication et d’améliorer ainsi le rapport du signal au bruit. Ces recherches ont eu un impact important sur les caractéristiques des téléphones dont la bande passante, de 300 à 3000 Hz à l’origine reste aujourd’hui encore limitée entre 400 et 5000 Hz environ. Des études ultérieures se sont intéressées aux besoins des malentendants pour atteindre les meilleurs scores d’intelligibilité. Elles ont montré, à l’époque que des courbes de réponse horizontales ou croissantes de 6 dB par octave entre 300 et 4000 Hz donnaient les meilleurs résultats. Ceci correspondait aux possibilités des microphones magnétiques disponibles à l’époque et s’adaptait plus ou moins aux pertes de transmission qui représentaient une bonne partie des pertes auditives appareillables. Ces études ont aussi été à l’origine de certains embryons de normes relatives aux aides auditives, des gabarits dans lesquels les courbes de réponse devaient s’inscrire. Au milieu des années 60, les utilisateurs – également appareillés pour des pertes auditives moins importantes et plus difficiles – ont commencé à exiger une meilleure qualité acoustique. La qualité musicale, le naturel des sons et la reconnaissance de voix étaient essentiels pour ces utilisateurs plus exigeants. Pour répondre à ces exigences, un microphone à réponse large et plate a été proposé: le microphone céramique ou piézo-électrique. Les microphones céramiques étaient d’excellente qualité (voir plus loin) mais avaient le défaut d’être très sensibles aux vibrations dans les graves. Des recherches ont alors été entreprises, qui ont conduit à la mise au point du microphone à électret dans les années 70. C’est toujours ce principe qui est utilisé actuellement mais en continuant à évoluer. La dernière innovation en date est le microphone numérique dont un des objectifs essentiels est de garantir une très haute protection aux perturbations électromagnétiques. 2.1.2. Caractéristiques des microphones Les microphones sont caractérisés par: C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 3/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie – Leur courbe de réponse en fréquence, qui représente la sensibilité du microphone (voir plus loin) en fonction de la fréquence pour un niveau de pression acoustique d’entrée et une direction données. – Leur diagramme de directivité, ou polarigramme, qui représente la sensibilité du microphone en fonction de l’angle d’incidence du signal d’excitation de fréquence et de niveau fixes. – Pour les microphones directionnels, l’indice de directivité et l’indice de directivité pondéré de l’indice d’articulation (voir le document relatif aux systèmes directionnels). – L’impédance de sortie, qui est souvent celle du préamplificateur intégré dans le boîtier de l’appareil (microphones céramiques et électret). – La sensibilité ou efficacité d’un microphone traduit sa capacité de transduction. Un microphone est d’autant plus sensible que, pour une même pression acoustique, il fournit une tension électrique plus élevée. La sensibilité est indiquée à une fréquence et à un angle d’incidence donnés. La sensibilité absolue, pour une fréquence donnée et un angle d’incidence donné est le rapport de la tension V mesurée à la sortie du microphone à la pression acoustique P s’exerçant sur la membrane. S=V/P Elle est exprimée en volts par pascals dans le système d’unités international. Pour des raisons pratiques on utilise plutôt le millivolt par micropascal, ou encore dans notre domaine – pour des raisons historiques – le volt par barye (1 barye = 0,1 Pa). Dans nos applications, la sensibilité s’exprime en dB, en prenant traditionnellement 1V/0,1 Pa comme référence. Interprétation pratique de la notion de sensibilité La référence de sensibilité des microphones est fixée à 1V/0,1 Pa dans les applications audioprothétiques. Donc, par définition et par convention, un microphone de sensibilité 0 dB re 1V/0,1 Pa a une sensibilité de 1V/0,1 Pa et délivre donc une tension de sortie de 1V lorsqu'il est soumis à une pression acoustique de 0,1 Pa. Or, nous savons d'autre part qu'une pression acoustique de 0,1 Pa peut s'exprimer par un niveau de pression acoustique de 74 dB SPL - en effet: – La référence des niveaux de pression acoustique SPL est de 2.10-5 Pa – 0,1 Pa correspond à 20.log (0,1 Pa / 2.10-5 Pa ) = 20 log 5000 = 74 dB SPL On peut donc dire que la tension à la sortie d'un microphone de sensibilité 0 dB re 1V/0,1 Pa est de 1V quand il est soumis à une niveau de pression acoustique de 74 dB SPL et par conséquent; – de 0,1 V pour 54 dB ( 20 dB de moins soit 10 fois moins) – de 10 mV pour 34 dB ( 40 dB de moins soit 20 fois moins) – de 1 mV pour 14 dB ( 60 dB de moins soit 30 fois moins) – etc .. Mais on peut dire aussi que si un microphone a par exemple un sensibilité de - 40 dB re 1V/0,1 Pa cela veut dire qu'il est 40 dB (ou 100 fois) moins sensible qu’un microphone qui aurait la sensibilité de référence et donc: C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 4/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie – Il délivrera une tension de 1V s'il est soumis à une pression acoustique de 74 dB SPL + 40 dB = 114 dB SPL, ou – Il ne délivrera qu'une tension de 10 mV (100 fois moins correspondant à 40 dB) s'il est soumis à une pression acoustique de 74 dB SPL. 2.1.3. Description Le microphone est composé d’un capteur de pression et d’un transducteur, ou transformateur d’énergie (figure 2): Suspension souple Membrane Boîtier Tige de transmision Transducteur Sorties électriques Adaptateur d’impédance Figure 2 - Schéma de principe d'un microphone Le capteur de pression est une membrane mobile de très faible masse, suspendue de façon très souple. Elle est chargée de capter la pression acoustique et se déplace sous l’influence des variations de celle-ci. Le transformateur d’énergie ou transducteur transforme les mouvements de la membrane en variations de tension électrique. C’est le principe physique utilisé pour assurer la transformation qui définit le type de microphone. Les appareils de correction auditive ont utilisé successivement différentes technologies, évoquées plus haut et dont nous donnons une brève description ci-après: 2.1.4. Le microphone à charbon (figures 3 et 4) Figure 3 - microphone à granule de charbon Figure 4 - Réalisation d'un micro charbon Ce microphone est l’ancêtre des microphones. Nous l’avons évoqué lors de l’historique des aides auditives. Son fonctionnement est une application de la loi d’ohm (figure 5). Des granules de charbon sont insérées entre le boîtier du microphone et la membrane. Lorsque celle-ci vibre sous l’effet de la pression acoustique, elle exerce une pression plus ou moins grande sur les particules de charbon et modifie ainsi la résistance de contact au rythme de la modulation. Le microphone est alimenté par une pile de tension fixe et par conséquent le courant qui traverse le circuit varie aussi au rythme de la modulation. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 5/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Si l’on insère une résistance dans le circuit, la bobine d’un écouteur par exemple, elle sera traversée par le courant variable issu du microphone et développera une tension également variable aux bornes de la charge. Figure 5 - Schéma d'une aide auditive électrique 2.1.5. Le microphone électromagnétique (figure 6) Le microphone électromagnétique est composé, dans une de ses réalisations simplifiées, d’un aimant permanent autour duquel est enroulé un bobinage d’au moins une spire et d’une arma- Figure 6 - Principe du microphone magnétique Figure 7- Courbes de réponse typiques de microphones magnétiques ture en fer doux relié à la membrane. Le circuit magnétique ainsi constitué est interrompu par un entrefer très étroit et dont la hauteur varie au rythme des vibrations de la membrane. Ces variations provoquent des variations du champ magnétique dans la bobine et génère donc un courant alternatif. Des courbes de réponse typiques de microphones magnétiques sont représentées figure 7 2.1.6. Le microphone piézo-électrique ou céramique L’élément actif de ce microphone est une double plaque de céramique pièzo-électrique. L’effet piézo-électrique (figure 8) est un phénomène caractérisé par l'apparition de charges électriques sur les faces d'un matériau dit piézo-électrique, lorsque ses faces sont soumises à C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 6/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie une contrainte mécanique (effet direct). Ce même matériau voit son épaisseur se modifier lorsque ses faces sont soumises à une différence de potentiel (effet piézo-électrique indirect). Dans un matériau solide cristallin, les charges positives et négatives sont harmonieusement réparties au repos. Une compression entraîne une polarisation par dédoublement des centres de gravité électrique, préalablement confondus. Figure 8 Principe de l'effet piézo-électrique Figure 9 - microphone céramique Le transducteur (figure 9) est composé de deux plaques montées en parallèle, de telle sorte que les faces de même polarité soient en regard. Ceci permet d’obtenir un blindage par les faces extérieures, minimisant ainsi les contraintes dues aux champs magnétiques extérieurs et aux variations de températures. Le double cristal est relié à la membrane par une tige de transmission qui le fait vibrer au rythme du signal et donc des variations de pression acoustique. Les charges électriques apparaissent donc à ce rythme à la surface de la céramique et sont appliquées à l’entrée d’un amplificateur adaptateur d’impédance. Celui-ci est nécessaire car l’impédance du système, comparable à celle d’un condensateur de faible capacité, est très élevée et le rendrait très sensible aux perturbations électrostatiques. La courbe de réponse typique d’un tel microphone est représentée figure 10, superposée à celle d’un microphone magnétique à titre de comparaison. L’amélioration de la qualité de électroacoustique est incontestable. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 7/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Figure 10 - Comparaison entre un microphone magnétique et céramique 2.1.7. Le microphone à électret Le microphone à électret (figure 11) est fondamentalement un microphone à condensateur dans lequel les charges électriques nécessaires au fonctionnement du transducteur sont emprisonnées dans le film plastique métallisé associé à la membrane. Le microphone à condensateur est composé d’une électrode rigide fixe et d’une électrode mobile (la membrane), placées très près l’une de l’autre, mais sans entrer en contact. Ce condensateur est électriquement chargé en appliquant à ses bornes une tension élevée au travers d’une grande résistance. Les variations de pression acoustique font vibrer la membrane et donc l’espace entre les deux électrodes. Il en résulte que la capacité du condensateur varie au rythme du signal acoustique, comme nous l’avons vu dans le cours d’électrotechnique, et une tension alternative apparaît aux bornes du condensateur. Figure 11 - Principe du microphone à électret La tension continue nécessaire avec les microphones à condensateur classique ne l’est plus avec les microphones à électret. Ils possèdent en effet un champ électrique permanent résultant de l’emprisonnement des charges électriques dans les électrodes. On peut comparer ceci à un aimant permanent. De tels électrets sont produits à partir de matières plastiques à haut pouvoir isolant (le téflon, par exemple). Des techniques de production adéquates permettent d’emprisonner dans ces feuilles les porteurs de charges électriques, dont résulte le champ élec- C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 8/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie trique permanent. Comme celle d’un microphone céramique, l’impédance d’un microphone à électret est très grande et exige l’intégration d’un adaptateur d’impédance dans la capsule microphonique. Pour assurer le fonctionnement de cet amplificateur, le microphone à électret doit être alimenté par la pile de l’aide auditive. La courbe de réponse (figure 12) des microphones à électret peut être parfaitement horizontale et très large bande. Dans les applications spécifiques aux aides auditives, le fabricant créée par des moyens acoustiques une résonance aux environs de 4 kHz. Monté dans l’appareil, cette résonance se déplace vers 2,5 à 3 kHz environ, en raison de la présence du tube. Cette résonance permet de simuler la résonance de l’oreille externe. Figure 12 - Courbe de réponse du microphone à électret Les caractéristiques dimensionnelles d’un microphone à électret sont indiquées figure 13 et ses caractéristiques électriques figure 14 (documents Knowles). Figure 13 - Caractéristiques dimensionnelles d'un microphone à électret C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 9/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Figure 14 - Caractéristiques électriques d'un microphone à électret Figure 15 - Sensibilité aux vibrations de différents modèles de microphones Revenons à la sensibilité aux vibrations, un des problèmes des microphones céramiques. Elle est d’autant plus importante que la membrane est lourde. La fine membrane d’un microphone à électret est très légère par construction. Il n’a pas besoin non plus de tige de transmission qui C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 10/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie relie la membrane à l’élément transducteur proprement dit. Sa sensibilité aux vibrations est donc bien plus faible que celle d’un microphone céramique (figure 15) 2.1.8. Le microphone numérique (figures 16 & 17) Le microphone numérique est un microphone à électret dans lequel un convertisseur analogique numérique a été intégré. Ceci permet de condenser la totalité des circuits analogiques à l’intérieur du boîtier et de s’affranchir quasi-totalement des perturbations électromagnétiques. Cette solution a été inspirée par les difficultés inhérentes aux téléphones mobiles et représente la première réalisation de ce type dans le domaine de l’électroacoustique. Mais cette construction offre d’autres avantages: Elle permet de concevoir l’appareil comme un microprocesseur pur Par construction, sa consommation est un peu plus faible (environ 100 µA) Elle permet d’exploiter des procédés modernes de production Elle n’est malheureusement pas encore très répandue actuellement, pour des raisons de coûts de production. Figure 16 - Principe du microphone numérique Figure17 - Microphone numérique 2.1.9. Le microphone directionnel Un chapitre spécial (chapitre 15) est consacré à ce type de microphones, d’une importance fondamentale dans la correction prothétique de l’audition: c’est en effet le moyen le plus efficace connu à ce jour (2006) d’améliorer l’émergence du signal utile en milieux bruyants et donc l’intelligibilité vocale. 2.1.10. Les microphones spéciaux Pour terminer ce tour d’horizon technologique, citons un certain nombre de variantes qui se distinguent essentiellement par leurs courbes de réponse en fréquence. Il s’agit de microphones omnidirectionnels dans lesquels le fabricant agit sur les courbes de réponse dans les graves à l’aide de réseaux acoustiques (figure 18). Ces microphones sont avant tout utilisés dans des appareils intra-auriculaires. Leurs courbes aiguës permettent alors d’économiser des filtres encombrants dans leurs circuits électroniques. L’inconvénient majeur des ces microphones est leur bruit de fond relativement important du fait de leur faible bande passante. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 11/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Figure 18 – Modifications acoustiques de la courbe de réponse du microphone dans les applications audioprothétiques (documents Knowles) La figure 19, ci-contre, donne deux représentations différentes du bruit de fond produit par un microphone. Il résulte pour une part de l’extrême sensibilité de la membrane ainsi que des bruits inhérents aux composants électroniques de l’adaptateur d’impédance. On observe que les composantes de bruits sont présentes dans une large bande fréquentielle (bruit quasi-blanc). Donc, quand les atténuations des graves sont faites uniquement par des moyens acoustiques sur le microphone, ces bruits continuent à être amplifiés par l’amplificateur large bande de l’appareil et peuvent être perçus par l’utilisateur. La courbe du haut indique le niveau de bruit en dB SPL et la courbe du bas en dB par rapport à une tension de référence (1 microvolt). Figure 19 - Bruit de fond d'un microphone C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 12/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie 2.2. Ecouteurs Les écouteurs sont un autre élément très important de la chaîne de transmission. Leur rôle est de transformer de signal électrique amplifié et traité par l’aide auditive en un signal acoustique correctement audible pour le malentendant. Tous les écouteurs utilisés dans les aides auditives sont de type électromagnétique (ou plus simplement magnétique) car c’est le seul principe actuellement qui permet de délivrer les niveaux de pression acoustique élevés requis dans un volume restreint. Ils se caractérisent essentiellement par leur taille (dont dépend le rendement électroacoustique) et le type d’amplificateur auxquels ils sont destinés. 2.2.1. Description des écouteurs d’aides auditives (figure 20) Les écouteurs d’aides auditives sont composés d’un aimant permanent dans l’entrefer duquel une armature, le noyau en fer doux d’une bobine, peut se déplacer. L’armature est reliée mécaniquement à la membrane de l’écouteur. Figure 20 - Coupe schématique d'un écouteur magnétique 2.2.2. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement des écouteurs a également été évoqué dans le cours d’électromagnétisme (électrotechnique, chapitre 8). Rappelons-en l’essentiel, dans l’application spécifique aux aides auditives. Quand un courant électrique traverse une bobine, celle-ci se transforme en aimant. L’armature de la bobine permet de concentrer les lignes de champs magnétiques et comporte un pôle nord et un pôle sud à chaque extrémité. La polarité de l’aimant ainsi créé dépend du sens du courant. Une des extrémités de l’armature est placée dans l’entrefer de l’aimant permanent. Selon le sens du courant, et donc la polarité de l’armature, elle sera attirée par le pôle nord de l’aimant et repoussée par le sud ou inversement. Si le courant est alternatif, la polarité de l’électro-aimant change au rythme du courant. L’extrémité de l’armature est donc alternativement attirée par le pôle nord et le pôle sud ce qui la fait vibrer au rythme du courant. Cette vibration est transmise à la membrane par la tige de transmission qui met en mouvement les particules de l’air. Il est important que l’armature au repos soit placée exactement au centre de l’entrefer de l’aimant. Si le fonctionnement de l’amplificateur nécessite de faire passer un courant de repos C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 13/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie dans l’écouteur, il faut en tenir compte en déformant – lors de la production, bien sûr – l’armature de telle sorte qu’elle revienne dans sa position médiane quand la bobine est soumise au courant de repos. Ceci explique deux conditions d’emploi importantes pour ce type d’écouteurs: Il faut respecter leur polarité, c’est-à-dire les brancher «dans le bon sens». En effet, une inversion de la polarité conduirait à inverser le pôle de l’armature et donc à l’éloigner encore du centre de l’entrefer. Pour la même raison, le type d’écouteur défini pour un amplificateur donné doit être respecté: il doit en effet être traversé par le courant adéquat pour placer l’armature au centre de l’entrefer. L’effet d’un mauvais positionnement de l’armature est de limiter l’amplitude de son mouvement et donc de celui de la membrane. Cela conduit à une réduction de la puissance acoustique disponible et à une apparition précoce de la distorsion. 2.2.3. Le haut-parleur électrodynamique Le haut-parleur électrodynamique n’est pas utilisé dans nos appareils. C’est cependant le système de base des chaînes de reproduction électroacoustiques et nous en donnons les schémas de principe figures 21 et 22. Figure 21 - Coupe schématique d'un haut-parleur électrodynamique Figure 22 - Coupe schématique d'un hautparleur électrodynamique 2.2.4. Principales caractéristiques des écouteurs (figures 23 à 26) Facteur de transmission Le facteur de transmission d’un écouteur électromagnétique, à une fréquence donnée et dans des conditions de mesure spécifiées, se définit de la même façon que la sensibilité du microphone: T = P/U Dans laquelle T est le facteur de transmission de l’écouteur (en Pa/V), P la pression acoustique de sortie mesurée dans un coupleur défini et avec un couplage défini (en Pa) et U la tension correspondantes exprimé en volts. Dans nos applications audioprothétiques, cette information est exprimée par le fabri- C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 14/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie cant comme le niveau de pression acoustique correspondant à une tension électrique d’excitation (p.e 32 mV RMS) Figure 23 - Extrait d'une fiche technique de Knowles Figure 25 - Extrait d'une fiche technique de Knowles Figure 24 - Extrait d'une fiche technique de Knowles Figure 26 - Extrait d'une fiche technique de Knowles C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 15/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Rendement Le rendement d’un écouteur est le rapport entre la puissance acoustique reçue et la puissance électrique consommée dans le bobinage. Il s’exprime généralement en % (voir exercice) La courbe de réponse de l’écouteur est en fait la courbe de son facteur de transmission en fonction de la fréquence, dans des conditions de mesures spécifiées. 2.2.5. Aspects acoustiques Nous avons vu que les performances de l’écouteur doivent être données dans des conditions spécifiées de mesure, qui peuvent d’ailleurs être différentes des conditions réelles dans l’oreille. Nous sommes ici dans le domaine de l’acoustique dans lequel les dimensions physiques des différents composants jouent un rôle important. L’écouteur lui-même a ses propres dimensions qui influencent aussi ses performances. D’une façon plus générale, on peut citer les différentes influences suivantes sur la courbe de réponse: L’effet des résonances électriques – l’inductance et la capacité propre de la bobine de l’écouteur L’effet des résonances mécaniques – dimensions, poids et matériaux de la membrane L’effet des résonances acoustiques – volume de l’écouteur, longueur et diamètre des tubes, volume résiduel dans l’oreille, etc ... Nous reviendrons sur ces différents aspects dans le chapitre consacré à l’acoustique 2.3. Principaux types d’écouteurs électromagnétiques Le nom que l’on donne aux différents types d’écouteurs électromagnétiques, dans nos applications audioprothétiques, correspond en fait au type d’amplificateur (étage de sortie) qui l’excite. 2.3.1. Ecouteur classe A L’écouteur classe A (figure 27) est un écouteur polarisé à deux connexions, directement monté dans la sortie d’un amplificateur simple (figure 28). Figure 27 - Ecouteur Knowles classe A Le point de fonctionnement de cet amplificateur est généralement de l’ordre de 1,1 V, proche de la tension de la pile. A partir de ce point, le signal peut descendre pratiquement jusqu’à 0V. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 16/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie L’amplificateur ne peut pas balayer de tensions supérieures à la tension de la pile. Cependant, la bobine de l’écouteur, du fait de son inductance élevée, est capable d’emmagasiner l’énergie électrique puis de la restituer, doublant ainsi l’amplitude de tension disponible. Il en résulte un signal alternatif d’une amplitude totale de l’ordre de 2,2 volts aux bornes de l’écouteur (figure 29). Signal de Ecouteur Signal d’entr Etage de Figure 29 - Tension de sortie d'un amplificateur classe A Figure 28 – Etage amplificateur classe A L’écouteur classe A présente peu de distorsions, pour autant que l’on atteint pas ses limites. C’est aussi un écouteur relativement bon marché. Par contre, du fait qu’il doit être polarisé, il consomme un permanence un courant relativement important, même en l’absence de signal (figure 30). Figure 30 - Consommation de l'amplificateur classe A (source Vonlanthen) 2.3.2. Ecouteur classe B (ou push-pull) L’écouteur classe B (figure 31) possède deux bobinages en série et donc 3 bornes de connexion. En reliant le point milieu du bobinage à la tension d’alimentation, tout se passe comme si on disposait de deux écouteurs classe A montés en série. Le circuit électronique est conçu de telle sorte que chaque demi écouteur délivre exactement le même signal, mais en opposition de phase (figure 32 A). Figure 31 - Ecouteur classe B Par construction, les deux bobinages agissent aussi en opposition de C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 17/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie phase (vus du point milieu, leurs enroulements sont inversés) et le résultat final est une addition des deux signaux. L’amplitude maximale que l’on peut ainsi obtenir est donc environ deux fois plus importante qu’avec un simple écouteur classe A, soit + 6 dB de puissance maximale (figure 32 B). Figure 32A - Principe de l'amplificateur classe B (source Vonlanthen) Figure 32B - Principe de l'amplificateur classe B (source Vonlanthen) Il ne faut toutefois par perdre de vue que le résultat optimal ne peut être atteint que si l’amplificateur est parfaitement équilibré Si ce n’est le cas, si les amplitudes des deux signaux sont différentes ou si un déphasage parasite se produit, le signal de sortie sera affecté de distorsions. Figure 33- Consommation d'un amplificateur classe B Figure 34 - Amplificateur classe B: consommation en fonction du niveau de sortie Un autre aspect caractéristique – et très intéressant – des amplificateurs / écouteurs classe B est leur consommation, dépendante de la puissance acoustique fournie. Ce montage peut en C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 18/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie effet être réglé de telle sorte qu’il consomme très peu de courant en l’absence de signal. Quand le signal apparaît, compte tenu du décalage de phase, il déplace le point de fonctionnement des transistors vers le haut et augmente la consommation. Ce montage consomme donc une énergie directement liée au besoin acoustique (figures 33 & 34). La symétrie de construction présente aussi l’avantage de ne pas devoir préformer l’armature de l’écouteur. Il peut par conséquent être monté dans n’importe quel sens (sous réserve que le point milieu soit connecté à l’alimentation) sans que la qualité sonore en soit affectée. Cette liberté est toutefois limitée par le fait qu’une inversion de montage entraîne aussi une inversion de phase qui peut être préjudiciable à la qualité stéréophonique de l’appareillage (localisation et audition dans le bruit). Une telle inversion risque aussi de modifier le couplage entre les différents transducteurs et de modifier le seuil d’apparition de l’effet larsen. En cas de changement d’écouteur, il reste donc essentiel de respecter le sens de montage fixé par le fabricant. En résumé, le montage classe B permet de délivrer de plus grandes puissances acoustiques avec une moindre consommation. Il est par contre plus délicat à mettre au point et peut être source de distorsions harmoniques, d’autant plus importantes que le courant de repos est faible. 2.3.3. Ecouteur classe AB Comparable au classe B mais avec un courant de repos un peu plus important pour améliorer la qualité de reproduction. 2.3.4. Ecouteur classe C Fonctionne plutôt en mode Bloqué / Saturé, c’est-à-dire dans des zones de fonctionnement où la puissance consommée est relativement faible. Ce principe n’est applicable qu’en HF, d’où l’idée d’utiliser une porteuse de haute fréquence (100 kHz) dans le concept des écouteurs classe D 2.3.5. Ecouteur classe D L’amplificateur classe D met en oeuvre un mode particulier d’amplificateur. Il peut être intégré dans le boîtier d’un écouteur magnétique (figure 35) que l’on nomme alors également classe D. Cette intégration permet de réduire la taille des appareils mais conduit à un système assez onéreux. Figure 35 - Coupe d'un écouteur classe D C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 19/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie Principe de fonctionnement de l’écouteur classe D (figure 36) L’amplificateur classe D transforme le signal analogique une un signal rectangulaire modulé. Il s’appelle également amplificateur à découpage. – La première étape consiste à générer un signal triangulaire d’une fréquence d’environ 100 kHz, dans nos applications. Le signal utile est alors additionné au signal triangulaire et appliqué à l’entrée d’un comparateur. – Le comparateur compare l’amplitude du signal triangulaire modulé à un niveau de référence. Le signal de sortie du comparateur ne comporte que deux niveaux: o Un niveau haut aussi longtemps que le triangle modulé a une amplitude supérieure à la valeur de référence (niveau 1 par exemple). o Un niveau bas aussi longtemps que le triangle modulé a une amplitude inférieure à la valeur de référence (niveau 0 par exemple). – L’amplificateur a ainsi fabriqué un signal rectangulaire dont la largeur dépend du signal utile. En d’autres termes, le contenu informatif du signal utile est porté par un signal rectangulaire. – Ce signal rectangulaire est alors est appliqué à un commutateur de puissance chargé par la bobine de l’écouteur. Il connecte cette dernière alternativement aux pôles positif et négatif de l’alimentation, au rythme du signal. – Du fait que la bobine de l’écouteur ne peut pas réagir à un signal rectangulaire d’une fréquence aussi élevée, il va réaliser une intégration du signal et délivrer un signal acoustique fonction de l’amplitude moyenne de chaque période. Figure 36 - Principe de fonctionnement de l'écouteur classe D Consommation de l’écouteur classe D Ce concept paraît complexe. Il a cependant été essentiellement développé pour permettre, à puissance égale, de réduire la consommation des aides auditives et donc de prolonger la durée C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 20/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie de vie de la pile. Au repos, c’est-à-dire sans signal, sa consommation est du même ordre de grandeur que celle d’un écouteur classe B, mais le courant de fonctionnement est d’environ 30 % plus faible que celui de l’écouteur classe B. Ce type d’écouteur présente donc l’avantage majeur de prolonger la durée de la pile, mais aussi de permettre une réduction de la taille quand l’amplificateur est intégré dans l’écouteur. On peut déjà réaliser un intra-auriculaire pour des pertes faibles en associant un microphone électret et un écouteur classe D. Ce type d’écouteur a également une bonne qualité de reproduction sonore, dans des conditions normales d’utilisation. Par contre, cet écouteur est assez onéreux, quand l’amplificateur est intégré, ce qui est généralement le cas dans les intra-auriculaires pour des raisons de place. C’est dans ces appareils qu’il est précisément soumis à des conditions très difficiles! De plus son utilisation pour des puissances très élevées n’est pas toujours qualitativement idéale, du fait des limites du système électronique de commutation. On parle encore d’écouteur classe D car, dans un souci de miniaturisation, l’amplificateur de pussance lui-même était intégré dans le boîtier de l’écouteur. Dans les appareils numériques modernes, où le volume de l’électronique n’est plus vraiment un problème, l’amplificateur classe D est directement intégré dans le chip électronique. On utilise ainsi les avantages du concept, sans ses inconvénients techniques et pécuniaires. 3. Autres transducteurs Les autres transducteurs ont déjà été évoqués dans différentes parties de ce cours. Pour mémoire: 3.1. Capteur téléphonique La capteur téléphonique, ou bobine téléphonique, ou bobine d’induction captrice applique les lois de l’électromagnétisme pour transformer un champ magnétique en tension électrique amplifiée et corrigée par l’aide auditive. A l’origine, elle était essentiellement utilisée pour téléphoner en captant les fuites magnétiques des anciens téléphones. Les progrès des téléphones ont permis de réduire ces fuites et il est alors devenu quasi impossible de l’utiliser pour cette application sans l’emploi d’accessoires supplémentaires. Aujourd’hui, elle est essentiellement utilisée pour capter les champs magnétiques émis par des boucles d’induction installées dans des lieux publics, églises, théâtres, etc.... Elle permet à l’auditeur de bien entendre sans être gêné par les bruits ambiants. La bobine d’induction captrice est presque toujours montée dans les contours d’oreille, moins souvent dans les intra-auriculaires. Dans cette dernière application, la difficulté majeure est de l’orienter correctement lors de la fabrication des appareils, alors que, du fait des grandes dispersions anatomiques, le laboratoire n’a qu’une idée approximative de sa position dans l’espace. La bobine assume parfois une fonction supplémentaire dans certains appareils où elle joue également le rôle de récepteur du signal de la télécommande. 3.2. Entrée audio et récepteur FM L’entrée audio équipe également de nombreux modèles de contours d’oreille. Elle permet de connecter directement l’aide auditive à des appareils extérieurs, microphones de table, téléviseur etc... ou de connecter un récepteur FM. L’entrée audio permet aussi de réaliser des montages CROS et BiCROS (voir av page 110) C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 21/22 ACA14 – Transducteurs et amplis de sortie 3.3. Récepteur FM Le récepteur FM permet également d’assurer la liaison entre des appareils extérieurs et l’aide auditive. Du fait de sa miniaturisation, elle s’intègre presque complètement à l’aide auditive et assure de ce fait la liaison sans fil, ce qui est très prometteur 3.4. Vibrateurs 3.4.1. Vibrateur à pression Les vibrateurs sont les transducteurs électromécaniques de sortie utilisés dans les appareilles en conduction osseuse. Leur principe de fonctionnement n’est pas très éloigné de celui des écouteurs. L’énergie est transmise par pression (serre-tête) au os du crâne. 3.4.2. BAHA (Bone Anchored Hearing Aid) Le BAHA (aide auditive à ancrage osseux) est une solution à envisager si les appareillages aériens ou osseux traditionnels ne sont pas satisfaisants. Un ancrage en titane est fixé dans la mastoïde, sur lequel un vibrateur osseux est monté de façon rigide. Le vibrateur remplace l’écouteur d’une aide auditive traditionnelle et s’applique pour des pertes importantes. Il permet de corriger des seuils osseux allant jusqu’à 70 dB HL. Ses avantages sont une bonne qualité de transmission, sans larsen, avec des gains élevés. Il évite la douleur due à la pression d’un vibrateur traditionnel et les déformations de la masse osseuse qui en résultent. Il nécessite par contre une intervention chirurgicale. C:\Documents and Settings\Couespel\Mes documents\Cours Audio 2005\Cours word\ACA14_Transducteurs et sortie.doc/06.02.2006/JaquesC 22/22
