Un microphone (souvent appelé micro par apocope) est un transducteur électroacoustique, c'est-à-dire un appareil capable de convertir un signal acoustique en signal électriqueLa sensation sonore est causée par une faible variation de la pression atmosphérique, appelée pression acoustique. Cette pression acoustique est un signal lorsqu'elle transmet une information. Le signal électrique produit par le microphone est une variation de la tension (ou du courant) qui dépend de la variation de pression. La loi qui gouverne la transduction s'appelle la fonction de transfert du microphone. Un microphone idéal aurait une fonction de transfert linéaire dans toute la plage de fréquences audible, c'est-à-dire que la tension de sortie serait proportionnelle à la pression acoustique..
L'usage de microphones est aujourd'hui largement répandu et concourt à de nombreuses applications pratiques : télécommunications (téléphone, radiotéléphonie, Interphone, systèmes d'intercommunication) ; sonorisation ; radiodiffusion et télévision ; enregistrement sonore notamment musical ; mesure acoustique.
On appelle également micro, par métonymie, les transducteurs électromagnétiques de guitare électrique (micro de guitare) et les transducteurs piézoélectriques (capteur piézo) utilisés pour des instruments dont le son est destiné à être amplifié.
Le composant électronique qui produit ou module la tension ou le courant électriques selon la pression acoustique, est appelé capsule. On utilise aussi le terme microphone par synecdoque. Un tissu ou une grille protège généralement cette partie fragile.
Origine du terme Le premier usage du terme microphone désignait une sorte de cornet acoustique. David Edward Hughes l'a le premier utilisé pour désigner un transducteur acoustique-électrique. Améliorant le dispositif de Graham Bell, Hughes fait valoir la capacité du dispositif qu'il a co-inventé à transmettre des sons beaucoup plus faibles.
Conception et caractéristiques Une membrane vibre sous l'effet de la pression acoustique et un dispositif qui dépend de la technologie du microphone convertit ces oscillations en signaux électriques. La conception d'un microphone comporte une partie acoustique et une partie électrique, qui vont définir ses caractéristiques et le type d'utilisation.
Mode d'action acoustique Capteurs de pression (omnidirectionnels) Si la membrane est au contact de l'onde sonore d'un seul côté, tandis que l'autre est dans un boîtier avec une pression atmosphérique constante, elle vibre selon les variations de pression. On parle d'un capteur de pression acoustique. Ce type de capteur réagit à peu près de la même manière aux ondes sonores quelle que soit la direction d'origine. Il est insensible au vent. Il est à la base des microphones omnidirectionnels.
Les microphones à effet de surface sont des capteurs de pression fixés sur une surface de quelque étendue formant baffle, qui double la pression acoustique dans l'hémisphère limité par la surface d'appui (Voir ).
Capteurs de gradient de pression (bidirectionnels ou directivité en 8) Si la membrane est au contact de l'onde sonore des deux côtés, elle ne vibre pas lorsqu'une onde arrive en travers, puisque les surpressions sont égales des deux côtés. On appelle ce type de membrane un capteur de gradient de pression acoustique. C'est la base des microphones bidirectionnels ou à directivité en 8.
Types mixtes ou variables En associant ces deux types, soit par des moyens acoustiques, en contrôlant de façon plus subtile l'accès des ondes sonores à la face arrière de la membrane, soit par des moyens électriques, en combinant le signal issu de deux membranes, on obtient des directivités utiles, notamment cardioïde (dite aussi unidirectionnelle) :
+ Directivité d'un micro cardioïde capsule omnidirectionnelle bidirectionnelle cardioïde rapport formule
son dans l'axe
100 %, son de côté (90°)
50 %, - son arrière (180°)
0 %, -∞ dB
On construit des microphones de directivité cardioïde large, supercardioïde et hypercardioïde en changeant les proportions entre la composante omnidirectionnelle et la composante bidirectionnelle. Des microphones peuvent offrir un réglage ou une commutation de la directivitéPar exemple Neumann M149 et U69i, AKG C414..
Ces constructions permettent de donner plus d'importance à une source vers laquelle on dirige le micro et d'atténuer le champ sonore réverbéré, qui vient de toutes les directions. On définit un indice de directivité comme l'expression, en décibels du rapport entre un son venant dans l'axe du microphone et un son de même pression acoustique efficace venant d'une source idéalement diffuse (venant de partout autour du microphone)Rossi 2007:482.
+ Caractéristiques théoriques de directivité de cellules capsule formule indice de directivité angle pour une atténuation à niveau pour un angle de
-∞ dB 90° (son latéral) 180° (son arrière) omnidirectionnelle
cardioïde
65° 90° 180°
-∞ dB supercardioïde
56° 75° 120°
hypercardioïde
52° 70° 110°
bidirectionnelle
45° 60° 90° -∞ dB
Tubes à interférences Les microphones à tube à interférences donnent des directivités accentuées, mais fortement dépendantes des fréquences. À cause de leur forme allongée, on les appelle « micro canon »..
Taille de la membrane La taille de la membrane influe sur la conversion en vibrations, puis en signal électrique.
Au contact d'une paroi perpendiculaire à la direction de propagation, une onde sonore développe une puissance proportionnelle à l'aire et au carré de la pression acoustique :
S est la surface de la paroi ; p est la pression acoustique ; est la masse volumique de l'air ( aux conditions normales de température et de pression) ; c est la vitesse du son, dans les mêmes conditions.
On ne peut récupérer qu'une partie de cette puissance sous forme de signal électrique décrivant l'onde sonore. Plus la membrane est grande, moins il est nécessaire d'amplifier le signal, et par conséquent, moins on le soumet à un traitement amenant inévitablement une certaine quantité de bruit et de distorsion.
La taille de la membrane détermine par conséquent la sensibilité maximale du microphone. Mais dès que la plus grande dimension de la membrane devient significative par rapport à la longueur d'onde d'un son, elle constitue, pour les ondes sonores qui n'arrivent pas perpendiculairement, un filtre en peigne. D'autres phénomènes comme la diffraction sur les bords interviennent, rendant la réponse réelle plus complexe.
La présence d'un entourage rigide autour de la membrane crée un effet de surface qui augmente la pression acoustique pour les fréquences dont la longueur d'onde est inférieure à la taille de l'ensemble membrane-entourage. Cet obstacle peut être plat ou sphérique, il constitue autour d'une capsule capteur de pression un filtre acoustique, comme la grille de protection, qui délimite une cavité dont les caractéristiques influent sur la réponse du microphone, particulièrement aux plus hautes fréquencesDPA: Acoustic modification accessories – changing characteristics; ..
Les applications (téléphone mobile, micro cravate) qui exigent des micros de petite taille limitent par là même la taille de la membrane.
Conversion vibration-signal électrique Microphone à charbon
alt=Schéma du microphone à charbon.|vignette|Schéma du microphone à charbon. Les premiers microphones, employés d'abord dans les téléphones, utilisaient la variation de résistance d'une poudre granuleuse de carbone, quand elle est soumise à une pression. Quand on comprime la poudre, la résistance diminue. Si on fait passer du courant à travers cette poudre, il va être modulé suivant la pression acoustique sur la membrane qui appuie sur la poudre. On ne peut évidemment construire de cette manière que des capteurs de pression. Ces microphones sont peu sensibles, fonctionnent sur une plage de fréquence limitée, et leur réponse n'est que très approximativement linéaire, ce qui cause de la distorsion. Ils ont l'avantage de pouvoir produire une puissance assez élevée sans amplificateur. Ils ont été utilisés dans les combinés téléphoniques, où leur robustesse était appréciée, et à la radio avant l'introduction de procédés donnant de meilleurs résultats.
Microphone dynamique à bobine mobile
Dans les microphones électromagnétiques à bobine mobile, une bobine est collée à la membrane, qui la fait vibrer dans le fort champ magnétique fixe d'un aimant permanent. Le mouvement crée une force électromotrice créant le signal électrique. Comme la conversion de l'énergie sonore dégagée par l'action de la pression acoustique sur la membrane donne directement un courant utilisable, ces microphones sont dits dynamiques, car contrairement aux micros à charbon et aux micros électrostatiques, ils n'ont pas besoin d'alimentation.
L'apparition dans les années 1980 d'aimants au néodyme a permis des champs magnétiques plus intenses, avec une amélioration de la qualité des microphones électromagnétiques.
Microphone à ruban Dans les microphones électromagnétiques à ruban, la membrane est un ruban gaufré souple installé dans le champ magnétique d'un aimant permanent. Il fonctionne comme le microphone électromagnétique à bobine mobile, avec l'avantage de la légèreté de la partie mobile. Il ne requiert pas d'alimentation. L'impédance de sortie est bien plus faible que celle des autres types, et il est assez fragile.
Microphone électrostatique
Dans les microphones électrostatiques, la membrane, couverte d'une mince couche conductrice, est l'une des armatures d'un condensateur, chargé par une tension continue, l'autre armature étant fixe. La vibration rapproche et éloigne les armatures, faisant varier la capacité. La charge étant constante et égale au produit de la tension et de la capacité, la variation de la capacité produit une variation inverse de tension. L'impédance de sortie est très élevée. Les micros électrostatiques ont besoin d'une alimentation, d'une part pour la polarisation du condensateur, d'autre part pour l'amplificateur adaptateur d'impédance qui doit être proche de la membrane.
L'alimentation peut être fournie par un conducteur spécial relié à un boîtier d'interface qui assure aussi l'adaptation d'impédance. Cependant, ce n'est le cas que pour quelques microphones très haut de gamme. La plupart des modèles utilisent une alimentation fantôme, ainsi nommée parce qu'elle ne nécessite aucun conducteur supplémentaire.
La sensibilité des microphones électrostatiques est supérieure à celle des microphones dynamiques. Il y a besoin de moins de puissance sonore pour faire vibrer la membrane seule que l'appareil membrane-bobinage, et l'amplificateur adaptateur d'impédance prélève une puissance infime. Cet amplificateur est conçu pour le capteur et contrôle aussi la bande passante ; la réponse de la membrane du condensateur est approximativement plate jusqu'à sa fréquence de coupure, après quoi elle décroît d'environ par octave. Ces amplificateurs furent d'abord composés d'un tube électronique et d'un transformateur. Plus récemment, leur niveau de bruit et de distorsion ainsi que leur sensibilité aux interférences ont été abaissés par l'emploi de transistors ou de transistors à effet de champ, sans transformateursEn prise de son musicale, certains artistes préfèrent les micros à tubes, avec leur bruit et leur distorsion particuliers..
Microphone électrostatique haute fréquence Le condensateur formé par la membrane et une armature fixe n'est pas polarisé par une tension continue, mais constitue, avec une résistance, un filtre dont la fréquence de coupure varie comme la capacité. Le niveau de modulation haute-fréquence suit donc la vibration de la membrane. L'étage suivant comporte une démodulation sur une diode qui conduit les transistors de sortieSérie MKH de la marque Sennheiser..
Microphone électrostatique à électret