Measurement Microphones

Explication des microphones de mesure

Les microphones sont aujourd'hui présents dans la plupart des équipements électroniques, depuis les téléphones portables, PC et enceintes à reconnaissance vocale jusqu'aux télévisions, tablettes ou montres connectées. Cet article vous présente les principes fondamentaux relatifs aux technologies utilisées pour les microphones de mesure.

Microphones de mesure
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MICROPHONES DE MESURE

Depuis 1945, Brüel & Kjaer développe et fabrique des microphones de mesure de haute qualité. Nos travaux de recherche et développement, ainsi que nos méthodes d'étalonnage, n’ont cessé d’évoluer afin d'améliorer toujours davantage la précision et les performances de nos microphones.

Cette approche nous permet aujourd'hui de proposer une gamme de microphones de mesure répondant à toutes les applications, des systèmes de surveillance acoustique aux mesures d'airbag en passant par les applications ultrasonores.

Principes physiques du microphone

Les microphones sont basés sur un principe physique très simple : La technologie capacitive.

La capacité d'un microphone est inversement proportionnelle à la distance entre le support (une plaque rigide) et la membrane (une fine feuille de métal très tendue). Lorsqu'il est exposé à la pression acoustique, la membrane se déforme et se rapproche ou s'éloigne de la plaque arrière, ce qui a pour effet de modifier la capacité du dispositif. Ces variations de capacité sont converties en amplitude de tension La majorité des microphones de mesure sont basés sur ce principe.

Membrane du microphone

Les microphones de mesure sont disponibles en diamètres de 1, ½, ¼ et 1/8 de pouce. Plus la membrane est grande, moins elle est rigide et plus il est facile de détecter les faibles variations de pression acoustique. Cependant, le diamètre de la membrane limite la détection des fréquences dont les longueurs d'onde se situent dans une gamme identique ou supérieure à la membrane.

LE SAVEZ-VOUS ?

Les membranes de large diamètre réduisent le bruit du capteur, alors que de petites membranes permettent de mesurer des fréquences plus élevées. Les microphones de petit diamètre offrent de meilleures caractéristiques omnidirectionnelles à hautes fréquences.

Ondes sonores des microphones
Le déplacement de la membrane pour un microphone type ½ de pouce est seulement de l'ordre de 5 nanomètres pour une excitation de 1 Pal. En comparaison, une membrane de la taille de la planète Terre se déplacerait de moins de 5 mètres

Longueur pour une onde sonore de 20 kHz La longueur d'une onde sonore de 20 kHz (la limite supérieure de la gamme de fréquences audible) est de 1,7 cm. Cela correspond approximativement à la largeur de l'index d'une main.


LE SAVEZ-VOUS

L'utilisation d'un microphone de champ libre dans un environnement de champ de pression entraîne une erreur approximative de 9 dB autour de 20 kHz.

Graphique de réponse en fréquence du microphone

Graphique de réponse en fréquence du microphone.

Sensibilité du microphone

La sensibilité correspond à la tension générée par les microphones sous une pression sonore définie. Elle se définit en V/Pa et dépend de la fréquence. La pression sonore d'un pascal correspond à un niveau de 94 dB SPL. Ainsi, la plupart des calibreurs de microphone ( notamment le Calibreur Acoustique Type 4231) atteint un niveau de pression acoustique de 94 dB ou 1 Pa.

La sensibilité dépend de la fréquence, par conséquent la réponse en fréquence du microphone correspond à sa sensibilité sur toute la gamme de fréquences. Cette valeur est généralement exprimée en décibels.


LE SAVEZ-VOUS
Depuis 1984, nous contrôlons attentivement la sensibilité de nos Microphones Standard Laboratoire Type 4160 et Type 4180. La sensibilité reste dans une gamme de ±0,02 dB (ce qui signifie moins de 0,2 % de variation). Ces deux microphones sont intégrés aux systèmes d'étalonnage dans le monde entier.

Graphique de sensibilité du microphone

Graphique de sensibilité des microphones montrant la sensibilité des microphones étalons Type 4160 et 4180 de 1984 à 2018.

Gamme dynamique d’un microphone

La gamme dynamique des microphones de mesure (par exemple, 16 dBA - 143 dB) correspond à la gamme sur laquelle le microphone se comporte comme un capteur parfaitement linéaire.

La première valeur correspond au bruit de fond du capteur. Les microphones à condensateur et leurs préamplificateurs présentent un bruit de fond qui provient, notamment, par des contraintes de l'électronique et les déplacements Browniens.

Ce nombre indique le niveau de pression acoustique dont la tension générée est identique au bruit de fond du capteur. Le bruit est mesuré sur une bande de tiers d'octave, pondéré A dans la gamme de l'audition humaine (entre la bande 22,4 Hz et 22,4 kHz), à défaut d'autre information. La seconde valeur indique le niveau de pression acoustique maximal mesuré avec une distorsion harmonique totale inférieure à 3 %.

LE SAVEZ-VOUS?

La gamme dynamique d'un microphone est généralement limitée par son préamplificateur.

À titre d'exemple, un préamplificateur CCLD (constant-current line drive) est conçu pour fournir un maximum de 7 V crête pour les fréquences inférieures à 20 kHz. Ainsi, on obtient un maximum de 134 dB SPL pour une sensibilité de microphone équivalente à 50 mV/Pa. Il est alors possible d'étendre la limite supérieure de la gamme dynamique à 146 dB grâce à l'utilisation d'un préamplificateur classique.



Microphones de mesure

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spécifications de sensibilité du microphone



Gamme dynamique du microphone
LE SAVEZ-VOUS

Le microphone de champ libre ½ pouce Type 4191 de Brüel & Kjaer offre une gamme dynamique de 20 dBA à 162 dB (soit 142 dB).

Convertir ce rapport en distance, reviendrait à étendre la mesure d'une simple mèche de cheveux à 3 tours Eiffel empilées les unes sur les autres.

Champ sonore du microphone

Les microphones de mesure, par leur dimension et leur forme, influencent la pression acoustique. Cette influence, dépendante du type de champ sonore, est considérée lors de la conception de chaque microphone et leurs réponses sont optimisées pour compenser ces effets. Cela nous permet de toujours d’obtenir une réponse plate du microphone selon le champ sonore identifié.

Les microphones de mesure sont divisés en trois catégories principales, chacune étant optimisée pour l'un des trois principaux types de champ sonore - Ainsi il est important de sélectionner le microphone le mieux adapté au champ sonore défini.

Champ libre

Les microphones de champ libre sont généralement utilisés pour mesurer, notamment, le niveau des enceintes ou les bruits en extérieur.

 

 

Microphone de champ libre

Pour réaliser des mesures en champ libre, sans aucune réverbération, les relevés doivent être effectués à l'extérieur, au sommet d'un mât ou dans une chambre anéchoïque.

Dans une chambre anéchoïque, le plafond, le sol et tous les murs sont recouverts de matériaux hautement absorbant qui suppriment toute réverbération. Ainsi, le niveau de pression acoustique – quelle que soit la direction du bruit émis par la source - peut être mesuré sans aucune réverbération. 

 

Champ diffus

Contrairement à la chambre anéchoïque, la chambre réverbérante est constituée de surfaces les plus dures et les plus réfléchissantes possibles, sans revêtement. Ce procédé entraine la création d’un champ diffus, puisque toutes les ondes sonores proviennent simultanément de toutes les directions, avec la même fréquence et le même niveau.

Des champs sonores proches du champ diffus peuvent être obtenus dans les bâtiments aux parois brutes et lorsque de nombreuses sources sonores ou bruits sont générés simultanément, comme par exemple dans les églises.

Si vous doutez du champ sonore environnant, il est préférable de le considérer comme diffus afin de minimiser les erreurs de mesure. 
Les microphones à champ diffus sont généralement utilisés pour mesurer le bruit à l'intérieur des véhicules ou en acoustique du bâtiment.


Microphones de champ diffus


Champ de pression

Un champ de pression correspond à une pression sonore qui présente la même intensité et la même fréquence quelle que soit sa position dans le champ. Un champ sonore très similaire au champ de pression peut être obtenu dans des espaces réduits (petits par rapport à la longueur d'onde) tels que les oreilles artificielles.

Les microphones de champ de pression sont généralement utilisés pour de petits coupleurs fermés, en soufflerie ou pour des mesures affleurantes.

Microphones de champ de pression


Stabilité du microphone

Les microphones de mesure de Brüel & Kjaer ont été développés pour offrir un haut niveau de stabilité, notamment dans la durée, en température, humidité et sous pression ambiante.

Pour obtenir une stabilité maximale, nous utilisons des matériaux de haute qualité soigneusement sélectionnés ; nous appliquons un traitement thermique contrôlé pour pouvoir user et éliminer toutes tensions dans la capsule. De plus, nous testons régulièrement chaque microphone à chaque étape du processus de production.

Les microphones sont soumis à de multiples procédés de nettoyage au cours de leur fabrication effectuée en chambre stérile de classe 10. Une chambre stérile de classe 10, compte moins de 10 particules de plus de 0,5 µm et moins de 2 particules entre 1 et 5 µm par mètre cube. À titre de comparaison, l'air ambiant offre une qualité approximative de «classe 1 million».

Étant donné que la distance entre la plaque de fixation et la membrane est généralement de 20 µm environ, toute particule de taille supérieure présente dans la cavité serait un facteur de déstabilisation, notamment en cas de condensation ou de variations de température. 

Si la membrane est déchirée, les particules et les résidus pénètrent dans la capsule, entraînant ainsi une contamination. Le même niveau de stérilité dans un process de réparation ne pourrait pas garantir une réponse optimale du microphone. C'est pourquoi Brüel & Kjær ne propose pas de réparation de microphone.