Une introduction aux transducteurs sonores

Dans ce tutoriel, nous allons en apprendre davantage sur les transducteurs de son. Deux transducteurs sonores courants sont les microphones et les haut-parleurs. Présentation généraleQu'est-ce que le son ? Que sont les transducteurs sonores ? Microphone (transducteur de son d'entrée) un haut-parleurEnceintes piézoélectriquesElectrostatic SpeakersIntroductionSound est un terme généralisé donné aux ondes acoustiques qui sont un type d'ondes longitudinales qui se propagent par compression et décompression dans le processus adiabatique. La gamme de fréquences des ondes acoustiques est comprise entre 1 Hz et des dizaines de milliers de Hz. Dans cette vaste gamme, l'homme peut entendre entre 20 Hz et 20 K Hz. Les transducteurs audio ou sonores sont de deux types : les capteurs d'entrée ou le son vers les transducteurs électriques et les actionneurs de sortie ou les transducteurs électriques vers le son. L'exemple de capteur d'entrée est un microphone et pour l'actionneur de sortie est un haut-parleur. Les transducteurs sonores peuvent détecter et transmettre des ondes sonores. Si la fréquence de l'onde sonore est très basse, on les appelle infra-son. Et si la fréquence des ondes sonores est très élevée, alors elles sont appelées ultra-son. HAUT DE PAGE Qu'est-ce que le son ? Le son et les vibrations sont interconnectés car le son est associé aux vibrations mécaniques. De nombreux sons sont causés par des vibrations de solides ou de gaz. Selon l'ANSI, le son est défini comme « une oscillation de pression, de contrainte, etc., se propageant dans un milieu avec des forces internes ou la superposition d'une telle oscillation propagée ». L'onde sonore est la forme d'onde causée par une vibration. Cette forme d'onde provoque la mise en place d'une vibration identique dans tout matériau affecté par l'onde sonore. Afin de transmettre des ondes sonores, un milieu pouvant vibrer est nécessaire. Un objet ou un matériau vibrant comprime les molécules d'air environnantes et les raréfie. Il n'y a pas de transmission d'ondes sonores par le vide. Lorsque le son est transmis, il a trois paramètres d'onde importants : la vitesse ou la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence. Ces caractéristiques sont similaires à celles d'une forme d'onde électrique. La fréquence et la forme d'onde du son sont déterminées par l'origine du son ou la fréquence et la forme d'onde de la vibration qui provoque le son. La vitesse et la longueur d'onde du son dépendent du milieu qui transmet les ondes sonores. La relation entre les trois paramètres vitesse, longueur d'onde et fréquence est indiquée ci-dessous. Fréquence (f) = Vitesse (m/s) / Longueur d'onde (λ) Les unités de fréquence sont Hertz (Hz). Lien de ressource d'image : electronics-tutorials.ws /io/io46.gifLa vitesse du son dans un matériau donné dépend de la densité et de l'élasticité du matériau. Par conséquent, la vitesse du son est plus élevée dans les solides et faible dans les gaz à haute pression. La mesure objective des ondes sonores utilise l'intensité de la surface de réception mesurée en nombre de watts d'énergie sonore par mètre carré. L'oreille a une réponse non linéaire et la sensibilité varie avec la fréquence du son. La plage de fréquences sur laquelle le son peut être détecté par l'oreille humaine est comprise entre 20 Hz et 20 kHz. La réponse de l'oreille est maximale dans la région de 2 kHz.RETOUR AU DÉBUT Que sont les transducteurs sonores ?Un transducteur sonore est un appareil qui peut convertir des signaux sonores en signaux électriques ou des signaux électriques en signaux sonores. Dans le premier cas, ils sont appelés transducteurs de son d'entrée et un microphone est un exemple pour ce cas. Dans le dernier cas, ils sont appelés transducteurs de son de sortie et un haut-parleur est un exemple. Microphone (transducteur de son d'entrée) Le transducteur audio ou son à énergie électrique est le microphone ou simplement appelé micro. Un microphone produit des signaux électriques analogiques proportionnels aux ondes sonores agissant sur son diaphragme. Les microphones sont classés selon le type de transducteur électrique qu'ils utilisent. En plus du transducteur, le microphone utilise des filtres acoustiques et des passages dont la forme et la dimension modifient la réponse de l'ensemble du système. Les caractéristiques d'un microphone sont à la fois électriques et acoustiques. La sensibilité d'un microphone est exprimée en mV de sortie électrique par unité d'intensité d'onde sonore. L'impédance du microphone a l'importance considérable. Un microphone à haute impédance a un rendement électrique élevé tandis que celui à faible impédance est associé à un faible rendement. La haute impédance rend le microphone sensible au bourdonnement. La directionnalité du microphone est également un facteur important. Si le microphone est utilisé pour détecter la pression des ondes sonores, il est alors omnidirectionnel, c'est-à-dire il capte le son provenant de n'importe quelle direction. Un microphone est directionnel s'il réagit à la vitesse et à la direction de l'onde sonore. Le type de transducteur sonore ne détermine pas nécessairement le principe de fonctionnement comme la pression ou la vitesse, mais la construction du microphone est le facteur le plus important. Certains des plus les types courants de microphones sont : microphone au carbone, microphone en fer mobile, microphone à bobine mobile, microphone à ruban, microphone piézoélectrique et microphone à condensateur électret. Maintenant, ils sont remplacés par des microphones à condensateur électret. Le microphone au carbone utilise des granules de carbone maintenus entre un diaphragme et une plaque arrière. Lorsque les granules sont comprimés, la résistance entre le diaphragme et la plaque arrière diminue considérablement. Les vibrations du diaphragme, qui sont le résultat de l'onde sonore incidente sur celui-ci, peuvent être converties en variations de résistance des granules. Le microphone nécessite une alimentation externe car il ne génère pas de tension. Le principal et seul avantage du microphone au carbone est qu'il produit une sortie énorme par rapport aux normes du microphone. Les inconvénients incluent une mauvaise linéarité, une mauvaise structure qui provoque de multiples résonances dans l'audio portée et un niveau de bruit élevé car la résistance des granulés change même en l'absence de son.RETOUR AU HAUTMicrophone en fer mobileLes microphones en fer mobile sont également appelés microphones à réluctance variable. Le microphone en fer mobile utilise un aimant puissant. Le circuit magnétique contient une armature en fer doux, qui à son tour est reliée à un diaphragme. Au fur et à mesure que l'armature se déplace, la réticence magnétique du circuit se modifie, ce qui modifie à son tour le flux magnétique total dans le circuit. Le circuit magnétique de ce type de microphone alourdit l'instrument.RETOUR AU HAUTMicrophone à bobine mobile ou microphone dynamique Les microphones à bobine mobile (Dynamic) utilisent un circuit magnétique à flux constant. Dans ce circuit, la sortie électrique est générée en déplaçant une bobine de fil dans le circuit qui est attachée à un diaphragme. Tout cet arrangement est sous forme de capsule, ce qui en fait un microphone à pression plutôt qu'à vitesse. La bobine se déplace en réponse au mouvement du diaphragme lorsque les ondes sonores frappent le diaphragme. En appliquant la loi d'induction électromagnétique de Faraday, une tension est induite dans la bobine en raison du mouvement de la bobine dans le champ magnétique. La sortie maximale se produit lorsque la bobine atteint la vitesse maximale entre les pics de l'onde sonore, de sorte que la sortie est déphasée de 900 avec le son. La vue interne d'un microphone dynamique est illustrée ci-dessous. La plage de mouvement de la bobine est très petite car la taille de la bobine est petite. Par conséquent, la linéarité des microphones à bobine mobile est excellente. En raison de la faible impédance de la bobine, la sortie est considérablement faible et donc une amplification du signal est nécessaire. L'inductance de la bobine dans les microphones à bobine mobile est moindre et par conséquent, ils sont moins susceptibles de capter le bourdonnement du secteur. La construction du microphone à bobine mobile ressemble à celle d'un haut-parleur à l'envers.RETOUR AU HAUTMicrophone à rubanLe principe de fonctionnement d'un microphone à ruban est dérivé du microphone à bobine mobile et le changement est que la bobine a été réduite à une bande de ruban conducteur. Le signal est prélevé aux extrémités du ruban. Un champ magnétique intense est utilisé pour que le mouvement du ruban coupé à travers le flux magnétique maximal possible soit possible. Cela génère une sortie avec sa valeur de crête à 900 hors de phase par rapport à l'onde sonore. La vue interne du microphone à ruban est illustrée ci-dessous. Le microphone à ruban est un microphone à vitesse. Les microphones à ruban sont utilisés dans des situations où la réponse directionnelle est importante. La principale application de ce type de microphone est le commentaire vocal en milieu bruyant. La linéarité des microphones à ruban est très bonne et sa construction en fait inévitablement un appareil à faible rendement. Afin d'élever le niveau de tension et le niveau d'impédance, les microphones à ruban sont généralement équipés d'un transformateur. Les microphones à ruban de bonne qualité sont des articles coûteux. Les qualités directionnelles de ce microphone conviennent à la diffusion stéréo.RETOUR AU HAUT Microphone piézoélectrique L'avantage du microphone piézoélectrique par rapport aux autres types de microphones est qu'il n'est pas limité à une utilisation dans l'air mais peut être lié à un solide et également immergé dans un liquide non conducteur . Les transducteurs piézoélectriques peuvent être utilisés à des fréquences ultrasonores et certains sont utilisés dans la région des MHz élevés. Les transducteurs piézoélectriques sont constitués d'un matériau cristallin. Lorsque le cristal est sollicité par des ondes sonores, les ions du cristal sont déplacés de manière asymétrique. A l'origine, le cristal de sel de Rochelle est utilisé comme matériau cristallin dans les microphones piézoélectriques et ce cristal est couplé à un diaphragme. La tension de sortie et l'impédance sont élevées, mais la linéarité est mauvaise. De nos jours, les cristaux synthétiques sont utilisés sur les cristaux naturels. Le titane de baryum est le cristal synthétique utilisé pour des fréquences allant jusqu'à des centaines de kHz. La figure du microphone piézoélectrique est illustrée ci-dessous. deux surfaces est fixe. Lorsque l'onde sonore frappe le diaphragme, les vibrations provoquent une variation de capacité. Comme la charge est fixe, la variation de capacité provoque une onde de tension. Le rendement dépend de l'espacement entre les plaques. La sortie est plus grande pour une amplitude de son donnée lorsque l'espacement entre les surfaces est plus petit. La structure d'un microphone à condensateur est illustrée ci-dessous. Le microphone à condensateur est un appareil actionné par pression. Afin de fournir la charge fixe, une alimentation en tension est nécessaire. Cette tension est appelée tension polarisante. Les microphones à condensateur assurent une linéarité de fonctionnement et fournissent également de très bons signaux audio. Pour éviter de polariser la tension, un électret est utilisé. Un électret est un matériau isolant à charge permanente. C'est l'équivalent électrostatique d'un aimant. Dans les microphones à condensateur à électret, l'une des plaques du condensateur est une plaque d'électret et l'autre est un diaphragme. Comme l'électret fournit une charge fixe, il n'y a pas besoin d'alimentation en tension. RETOUR HAUT DE PAGE (Sortie Son Transducteur) L'utilisation du microphone est peu à moins qu'il n'y ait un transducteur pour la direction opposée. Les transducteurs comme les haut-parleurs, les buzzers et les klaxons sont des actionneurs sonores de sortie qui peuvent produire du son à partir d'un signal électrique d'entrée. La fonction d'un actionneur sonore est de convertir les signaux électriques en ondes sonores ayant une grande ressemblance avec le signal d'entrée d'origine d'un microphone. Les écouteurs sont l'un des transducteurs sonores de sortie les plus simples qui ont été utilisés bien avant que les microphones ne l'étaient. Les écouteurs ont été utilisés avec une machine à clé Morse dans les télégraphes électriques. Après le développement des microphones, la combinaison de transducteurs sonores d'entrée et de sortie conduit à de nombreuses inventions dont le téléphone. La tâche d'un écouteur est simple et comme il est placé près de l'oreille, les besoins en énergie sont également très inférieurs, généralement de l'ordre de quelques milliwatts. Comme la puissance requise est moindre, l'écouteur utilise un petit diaphragme. Un haut-parleur, contrairement aux écouteurs, n'est pas pressé contre l'oreille, mais les ondes sonores sont plutôt lancées dans l'espace. Par conséquent, la construction, le principe et la puissance requise d'un haut-parleur sont un peu différents. Les haut-parleurs sont disponibles dans une variété de tailles, de formes et de gammes de fréquences. Le transducteur d'un système de haut-parleur est appelé unité de pression car il transforme des signaux électriques complexes en pression atmosphérique. Pour ce faire, un haut-parleur se compose d'un bloc moteur qui transforme les ondes électriques d'entrée en vibrations et d'un diaphragme qui déplace suffisamment d'air pour rendre audible l'effet de vibration. A chaque type de microphone correspond un haut-parleur. Certains des types courants de haut-parleurs sont les suivants : fer mobile, bobine mobile, piézoélectrique, isodynamique et électrostatique.RETOUR AU HAUT Haut-parleur à bobine mobile ou haut-parleur dynamique Le principe de la bobine mobile est utilisé dans la majorité des haut-parleurs et des écouteurs. Les haut-parleurs à bobine mobile sont également appelés haut-parleurs dynamiques. Le principe de fonctionnement d'un haut-parleur à bobine mobile est exactement le contraire de celui d'un microphone à bobine mobile. Il se compose d'une bobine de fil fin appelée bobine acoustique qui est suspendue dans un champ magnétique très puissant. Cette bobine est attachée à un diaphragme comme du papier ou un cône en Mylar. Le diaphragme est suspendu sur ses bords à un cadre métallique. La structure interne d'un haut-parleur à bobine mobile est illustrée ci-dessous. Lorsque le signal électrique d'entrée traverse la bobine, un champ électromagnétique est produit. La force de ce champ est déterminée par le courant traversant la bobine. Le réglage du contrôle du volume de l'amplificateur du pilote détermine le courant circulant dans la bobine acoustique. Le champ magnétique produit par l'aimant permanent est opposé à la force électromagnétique qui est produite par le champ électromagnétique. Cela provoque le déplacement de la bobine dans un sens ou dans l'autre déterminé par les interactions entre les pôles nord et sud. Le diaphragme, qui est attaché à la bobine, se déplace en tandem avec la bobine et cela provoque une perturbation dans l'air qui l'entoure. Ces perturbations produisent un son. L'intensité du son est déterminée par la vitesse à laquelle le cône ou le diaphragme se déplace.RETOUR EN HAUTConduire un haut-parleurLa gamme de fréquences que l'oreille humaine peut entendre se situe entre 20 Hz et 20 KHz. Les haut-parleurs, casques, écouteurs et autres transducteurs audio modernes sont conçus pour fonctionner dans cette gamme de fréquences. Cependant, pour les systèmes audio de type Haute Fidélité (Hi-Fi), la réponse du son est divisée en sous-fréquences plus petites. Cela améliore l'efficacité globale et la qualité sonore du haut-parleur. Les unités à basse fréquence sont appelées woofers et les unités à haute fréquence sont appelées tweeters. Les unités pour les fréquences moyennes sont simplement appelées unités moyennes. Les plages de fréquences généralisées et leur terminologie sont mentionnées ci-dessous. Sub - woofer — 10 Hz à 100 HzBass — 20 Hz à 3 kHzMid – range — 1 kHz to 10 kHzTweeter — 3 kHz to 30 kHz Dans les systèmes Hi-Fi multi haut-parleurs, il existe des haut-parleurs de grave, médium et tweeter séparés avec un réseau de croisement actif ou passif pour diviser et reproduire avec précision le signal audio par tous les sous-haut-parleurs. Un circuit simple pour piloter un haut-parleur est illustré ci-dessous. Le transistor est en configuration émetteur suiveur. Le signal PWM d'un microcontrôleur fournit un signal alternatif à la base du transistor. La configuration émetteur suiveur donne le signal alternatif au haut-parleur en amplifiant le courant. La diode agit comme un filtre. Une conception à haut-parleurs multiples est illustrée ci-dessous. Il existe trois types de haut-parleurs : haut-parleur de graves, haut-parleur de milieu de gamme et haut-parleur d'aigus. Un circuit d'amplificateur audio simple est illustré ci-dessous. En fonction du circuit de filtrage utilisé, l'amplificateur peut être utilisé pour piloter un woofer ou un haut-parleur de milieu de gamme ou un tweeter. Certains des autres types de transducteurs de sortie sont mentionnés ci-dessous. les tweeters sont fabriqués selon le principe piézoélectrique. Les diaphragmes sont constitués de feuilles de plastique piézoélectriques. Lorsqu'une tension est appliquée entre les faces du diaphragme, il se rétrécit et se dilate en fonction du signal. En façonnant le diaphragme comme une partie de la surface d'une sphère, le rétrécissement et l'expansion peuvent être convertis en un mouvement qui déplacera l'air.RETOUR AU HAUTEnceintes électrostatiquesLes enceintes électrostatiques se composent d'un diaphragme conducteur placé entre deux plaques électriquement conductrices. Les plaques conductrices sont chargées respectivement positivement et négativement. Lorsqu'un signal audio est connecté, le diaphragme bascule entre une charge positive et négative. Le diaphragme est attiré vers la plaque de charge opposée en fonction de sa charge.

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