Capteur/Capteurs acoustiques

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Les capteurs acoustiques sont des capteurs qui convertissent le signal des ondes sonores en signal électrique. Ils sont utilisés dans des domaines aussi variés que l'océanographie, la médecine, la physiologie, la musique, le génie architectural, la science des matériaux, la sismologie, etc.

Généralités

L'acoustique est une science et technique relativement jeune qui date d'environ un siècle et demi. Elle est étroitement liée aux avancées techniques réalisées dans le domaine de l'électricité.

Historique

• 1857 : Edouard SCOTT de MARTINVILLE met au point le phonautographe, un dispositif traçant sur le papier des courbes représentant les ondes sonores.
• 1877 : Premier microphone breveté (Emile Berliner). Invention destinée à la communication téléphonique.
• 1878 : Invention du premier transmetteur électro-acoustique impressionnant des sons très faibles.
• 1915 : Invention du microphone à bouton de carbone.
• 1916 : Invention du premier microphone à condensateur développé par les laboratoires Bell.
• 1920 : Invention du microphone à bobine de fil mobile par les laboratoires Bell.
• 1928 : Georges Neumann vend ses premiers microphones à condensateur qui deviennent célèbres dans le monde entier pour leur qualité.
• 1950 : le microphone axial devint populaire grâce à son ruban transmetteur situé au bas d'un mince cylindre, idéal pour l'aspect portatif que l’on voulait pour le modèle KM54 par exemple.
• 1998 : Premier microphone numérique fabriqué et vendu par la firme Beyer.

Principe technologique

Les deux grandeurs qui permettent de mesurer un signal sonore sont la pression et la vitesse. Cependant, la pression est facile à mesurer tandis que les vitesses des particules fluides (correspondant aux ondes acoustiques) le sont difficilement. La pression est donc la grandeur mesurée dans la majeure partie des cas.

Classification

Il existe plusieurs moyens de classer les capteurs acoustiques :

• Par type de transducteur.
• Par mode d'incidence de la pression (capteur de pression ou à gradient de pression).
• Par type de directivité.
• Par conditions de linéarité de la réponse en fréquence.

les différents types de transducteurs

Les grandes classes de transducteurs acoustoélectriques sont au nombre de trois :

• les transducteurs électrodynamiques : une pression ou un gradient de pression met en mouvement une membrane placée dans un champs magnétique. Les effets cumulés du déplacement et du champs magnétique engendrent un courant induit correspondant au signal de sortie du capteur.
• les transducteurs électrostatiques : une pression ou un gradient de pression met en mouvement une membrane dont le déplacement induit une variation de capacité du condensateur placé derrière.
• les transducteurs piézo-électriques : Une capsule comprenant un composé piézo-électrique agit comme un condensateur variable qui traduit la pression par une variation de tension aux bornes d'une résistance de charge.

mode d'incidence de la pression

Il existe deux types de capteurs transducteurs acoustiques : les capteurs de pression et à gradient de pression.

• Les transducteurs recevant l’onde acoustique sur une seule face de leur membrane sont dits capteurs de pression. La face arrière est alors refermée sur un circuit acoustique qui ne communique avec l’extérieur que par une ouverture assez petite pour permettre l’égalisation des pressions statiques
• Les transducteurs recevant l’onde acoustique sur les deux faces de leur membrane sont dits capteurs à gradient de pression. Les transducteurs à gradient de pression sont le siège d’une force de pression proportionnelle à la fréquence.

les différentes typologies de capteurs acoustiques

capteurs de type électromagnétique

microphone à ruban

Schéma d'un microphone à ruban

Le microphone à ruban convertit une variation de pression sonore en signal électrique par exploitation de la résultante du phénomène d'induction magnétique (loi de Lenz). Il est composé d'un ruban métallique souple situé entre les deux pôles d'un aimant. Le ruban tient lieu à la fois de diaphragme et de bobine. L'oscillation de ce ruban soumis à la pression acoustique génère le signal.

Le déplacement du ruban crée, au niveau du ruban, un courant induit par la variation de flux (loi de Faraday) :

$\displaystyle {\text{i =}}-{\frac {{\text{d}}\varphi }{\text{dt}}}$

Il existe deux types de capteurs acoustiques à ruban :

• Ceux où l'accès à la face arrière du ruban est fermé : Ce sont des capteurs de pression.
• Ceux où l'accès à la face arrière du ruban est livre : Ce sont des capteurs à Gradient de pression.

microphone à bobine mobile

Schéma d'un microphone à bobine mobile

Le microphone à bobine mobile exploite également le phénomène issue de la loi de Lenz. Dans un capteur de ce type, la membrane est solidaire d'une bobine mobile qui se déplace dans l'entrefer d'un aimant permanent puissant.

Soit l la longueur de la bobine mobile (l=nombres de spires x Longueur d'une spire). La bobine longe dans l'entrefer et coupe les lignes de flux à la vitesse v. Il en résulte la création d'une force électromotrice induite $\textstyle {\vec {e}}$ :

${\vec {e}}=l{\vec {v}}\land {\vec {B}}$

Cette force électromotrice fait circuler un courant i dans le bobine. Une force de Laplace F est créée par réaction entre le courant induit et le champs magnétique B.

Le système est donc caractérisé par deux équations :

• une équation électrique : $Blv=Ri+L{\frac {di}{dt}}$.
• une équation mécanique : $pS=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+r_{f}{\frac {dx}{dt}}+k_{m}x+Bli$

Ce qui donne en régime harmonique une impédance électrique Ze : ${\underline {Z}}e={\frac {Bl{\underline {v}}}{\underline {i}}}$

capteurs de type piézo-électrique

Schéma de fonctionnement d'un transducteur piézoélectrique

Dans certains matériaux comme le quartz, une déformation mécanique entraine la création de charges électriques en surface donc la génération d'une force électromotrice proportionnelle à la déformation mécanique. Lorsqu'une couche de métal est déposée sur ce type de matériau, cela donne la possibilité de mesurer une tension.Ces matériaux sont dits piézoélectriques.

Remarque :

• La densité et la zone d’apparition des charges dépendent de la force exercée,de la nature du matériau et de la direction des plans de coupe par rapport à un axe principal appelé axe de polarisation.
• L’effet piézoélectrique est un effet réciproque : les substances piézoélectriques ont la propriété de se déformer sous l’action d’une

polarisation électrique.

capteurs de type électrostatique

La capacité d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance entre les armatures ainsi une vibration de la membrane qui modifie cette distance va aussi modifier la capacité d' où l' apparition d' une intensité modulée au bornes du condensateur

Bibliographie et webographie

bibliographie

• Les capteurs en instrumentation industrielle.
• Techniques de l'ingénieur : "Microphones" et "Introduction à l'électroacoustique" par Jacques Jouhaneau

webographie

• (en) Un site anglais sur les différents capteurs acoustiques
• (fr) Article wikipédia sur les capteurs optiques
• (fr) « Un site français excellent sur les microphones » ^{(Archive • Wikiwix • Que faire ?)}. Consulté le 2017-07-22