Phonomètre au format Kingsize

L’instrument de mesure décrit dans le présent article se distingue, par rapport à ses concurrents, par une caractéristique évidente. Son affichage est en effet d’une taille telle qu’il est difficile, c’est le moins que l’on puisse dire, de ne pas le voir, ce qui ne manque pas d’ouvrir de nouvelles perspectives quant à son utilisation.

 

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Le détail le plus marquant de ce montage est que son affichage est constitué d’un panneau doté de 10 ampoules à incandescence. Il est difficile, dans ces conditions, de le rater, ce qui en fait, d’un coup d’un seul une nouvelle catégorie d’appareils de mesure.

La grande majorité des instruments de mesure de pression acoustique ou VU-mètres utilisent un affichage à base de LED ou de galvanomètre à bobine mobile bien moins « agressif ».

À quoi peut bien servir un affichage d’une taille aussi « extraordinaire » ? A-t-il uniquement été prévu pour le plaisir de l’art.

Notre réponse à cette question est typiquement normande, oui et non. Il va sans dire qu’un affichage de cette taille se doit d’être présent dans les discothèques et autres « dance-parties » où il pourra servir de sorte de chenillard visualisant le niveau de la « musique ».

Nous sommes persuadés que cette réalisation sera très bien accueillie dans ces milieux. Il nous faut cependant avouer que ce n’était pas là le domaine auquel nous avons pensé en premier lors du développement de ce montage.

Son application première devait être, croyons-nous, de fournir une indication visible de la pression acoustique existant dans des lieux de travail, des salles de fêtes et accessoirement dans des discos, en un mot, partout où un niveau sonore de longue durée peut provoquer, sans grand risque de se tromper, des dommages irrémédiables de l’ouïe.

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Figure 1. L’électronique comporte un amplificateur pour microphone, un filtre, un redresseur et un affichage. L’échelle à LED classique est dotée ici d’un circuit de commande d’ampoules à incandescence.

Le concept :

À y regarder de près, la réalisation d’un phonomètre n’a rien de bien sorcier. Si l’on fait abstraction du microphone, tout ce dont on a besoin est un étage d’amplification, un redresseur et un affichage.

Il reste encore, de préférence, à ajouter, si l’on veut que l’indication corresponde aux caractéristiques de l’ouïe humaine, un filtre dit pondéré en A et dans notre cas, vu l’application que nous envisagions, un étage de commande d’ampoules à incandescence.

Il suffit d’un rapide coup d’œil au schéma reproduit en figure 1 pour se faire une idée de l’approche adoptée pour ce montage.

En vue aérienne : une capsule de microphone à électret, MIC1, capte le son; ce dernier est amplifié par IC1.A et filtré par IC1.B. On découvre ensuite un redresseur double alternance, IC2, en aval duquel le signal est moyenné (il subit une intégration) par le réseau RC R17/C11 avant d’être tamponné et
amplifié par une paire d’amplificateurs opérationnels, IC1.C et IC1.D.

Le signal attaque ensuite une paire de circuits de commande du type LM3915, vous aurez reconnu IC3 et IC4. Ce type de circuits intégrés a été développé en vue de commander directement une échelle de visualisation à base de LED.

On trouve, pris en série sur chacune des 10 LED, un même nombre d’opto-triacs, IC5 à IC14, qui se chargent à leur tour de l’activation des ampoules branchées sur les borniers K1 à K10.

L’ajustable P1 permet de régler la sensibilité; un changement de position du cavalier JP2 permet de substituer au signal fourni par le microphone un signal « ligne » qui aura été appliqué au bornier K12. C’est là la situation dans laquelle on se trouvera si l’on décide d’utiliser ce montage en tant que chenillard pour une installation de sonorisation (PA), application qui n’est cependant pas sa fonction première.

Si l’on envisage d’utiliser ce phonomètre uniquement à cette intention, on pourra même supprimer le microphone ainsi que IC1 et les composants  connexes.

Nous avons vu ainsi d’essence du montage. Mais comme à l’accoutumée, il est un certain nombre de détails qui valent la peine d’être mentionnés. Passons en revue les différents sous-ensembles.

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L’ampli de micro :

Le microphone utilisé ici est une petite capsule électret du type MCE2000. Il est fort probable que vous puissiez utiliser sans problème d’autres capsules micro de caractéristiques similaires.

L’alimentation du microphone à électret se fait par le biais de la résistance R1. La paire de filtrage R2/C3 débarrasse la tension d’alimentation des éventuels résidus parasitaires qu’elle pourrait véhiculer, vu que sinon, IC1.A les amplifierait fortement.

Le facteur d’amplification (le gain) du signal fourni par le microphone dépend du rapport entre l’impédance de sortie de la capsule électret utilisée et R1, ainsi que de la résistance constituée par la paire P1 + R3.

La valeur adoptée pour R3 est telle que le domaine de réglage de P1 bat une plage de quelque 26 dB.

Il est bon de savoir, pour la mesure de la pression acoustique absolue, que lorsque l’on donne à IC1.A un gain défini par la mise de P1 à son maximum et par P2 à « 0 », un débattement à pleine échelle correspond à un niveau de quelque 90 dBA, un choix fait en toute connaissance de cause vu que cette valeur de pression acoustique constitue la limite au-delà de laquelle le risque d’endommagement de l’ouïe est réel.

Quelques détails supplémentaires.

La sortie (à FET) de la capsule électret se trouve forcée, par le biais de la paire de condensateurs C1/C2, à un niveau de tension constant, ce qui a un effet bénéfique sur la « modulabilité » et permet en outre de donner une valeur un peu plus importante à R1.

L’amplificateur opérationnel IC1.A fait de ce fait office de convertisseur courant/tension. C4 élimine, lorsque le gain est réglé à son maximum, d’éventuels parasites HF et limite alors la bande passante à de l’ordre de 20 kHz.

Nous avons évoqué plus haut la possibilité de changer le cavalier JP2 de position de manière à pouvoir connecter un signal « ligne » au bornier K12. Dans ce cas-là, le microphone et son amplificateur sont mis hors-fonction.

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Figure 2. La courbe du filtre pondéré en A a, tout comme nos oreilles, son maximum à une fréquence de l’ordre de 3 kHz.

Le filtre :

Le domaine d’applications privilégié du filtre dit « pondéré en A » est celui des mesures de signaux sonores tant en audio que lors de la mesure de rapports signal/bruit. L’essence de ce type de filtre est qu’il adapte le spectre de mesure à la caractéristique de l’ouïe humaine.

Comme vous n’êtes pas sans le savoir, la sensibilité de l’ouïe est à son maximum aux alentours de 3 kHz et diminue rapidement de part et d’autre de cette valeur de fréquence. Le filtre pondéré en A est partant dimensionné de façon à avoir son maximum aux alentours de 3 kHz.

La figure 2 propose la courbe de réponse de ce filtre. Nous avons choisi, pour vous éviter de problèmes d’approvisionnement, de n’utiliser que des composants de la série E-12 pour la réalisation de ce filtre.

En dépit de cela, nous avons réussi à faire en sorte que la dérive par rapport à la caractéristique idéale ne dépasse pas de l’ordre de ±1 dB.

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Le redresseur :

Le redresseur double alternance repose sur une électronique standard à 2 amplificateurs opérationnels. IC2.B fait subir un gain de 2 au signal « négatif » du redresseur mono-alternance IC2.A, avant qu’il ne soit additionné au signal d’entrée, ce qui se traduit, en final, par un redressement double alternance.

D12 est une diode Schottky en raison de sa tension de seuil plus faible, ce qui se traduit par une augmentation et de la linéarité et de la bande passante. L’inconvénient de ce type de diodes est un courant de fuite plus important, ce qui explique l’utilisation, pour D11, d’une diode de type « normal ».

Le réseau RC que constituent R17 et C11 moyenne (on parle d’intégration) le signal redressé avec une constante de temps de 0,1 s environ. Il se peut que ce facteur soit relativement court, ce qui se traduit par une réaction sur le bord rapide de l’affichage mais cela a également l’avantage de bien mieux visualiser les crêtes.

On pourra, le cas échéant, adapter à son goût la constante de temps en augmentant la valeur de C11 (il devrait y avoir suffisamment de place sur la
platine pour un condensateur de 100 μF/10 V de petite taille).

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Circuits de commande d’affichage :

Le pilotage de l’affichage est confié à une paire de circuits intégrés du type LM3915, composant que les lecteurs assidus de ce magazine connaissent bien. Un mot sur ce circuit à l’intention de ceux d’entre vous qui n’en auraient jamais entendu parler.

Le LM3915 a été développé en vue de visualiser directement une tension d’entrée variable sur une échelle de LED.

Pour cela ce composant possède, en interne, 10 comparateurs dont les entrées inverseuses (–) sont interconnectées et reliées à la sortie d’un tampon/amplificateur interne lui aussi.

Les entrées non-inverseuses (+) des comparateurs sont reliées chacune à l’une des points nodaux d’un diviseur de tension en échelle qui définit ainsi les différents niveaux de référence. Le principe de fonctionnement de chaque comparateur est le suivant : dès que la tension appliquée à l’entrée inverseuse
dépasse le niveau de la tension de référence présente sur l’entrée non-inverseuse correspondante, le niveau de sortie du comparateur en question bascule au niveau bas ce qui se traduit par l’allumage de la LED connectée à la dite sortie.

Pourquoi a-t-on utilisé ici 2 LM3915 alors que chacun de ces circuits intégrés est en mesure de piloter 10 LED ?

Ce choix repose sur une double raison… La première tient au fait que, dans le domaine bas, le redresseur mono-alternance n’est plus parfaitement linéaire et que l’utilisation de certaines des sorties seulement permet de corriger cette non-linéarité.

La seconde raison est que nous tenions à ce que le montage soit également en mesure de visualiser des niveaux faibles.

Le tableau 1 donne la relation entre l’indication théorique et la valeur mesurée par notre prototype (mesures faites à 1 kHz).

Le tableau 1 nous apprend que le phonomètre possède une plage de 48 dB, ce qui devrait être suffisant pour la majorité des utilisations envisageables.
L’étalement de l’échelle sur 2 LM3915 est rendu possible par l’application d’un gain supplémentaire de 30 dB à la valeur de mesure fournie par C11 et destinée à IC4.

L’ensemble du montage est dotée, de par la présence du diviseur de tension R32/R33/C15, d’une masse virtuelle rustique, qui constitue aussi la valeur de référence la plus faible (RLO = Reference LOw) pour le diviseur de tension intégré dans chacun de LM3915.

Le choix de ce niveau de tension est tel qu’à modulation totale, la sortie de IC2.B arrive en butée presque symétriquement. Le niveau supérieur des diviseurs de tension (RHI = Reference HIgh comme vous l’auriez sans doute deviné) est défini par les références propres de LM3915 (REFOUT), de sorte qu’il peut se faire que les tolérances spécifiques des 2 échelles ne se recoupent pas parfaitement, caractéristique qui n’a pas la moindre importance dans la présente application.

La sensibilité de IC3 et IC4 est à son maximum lorsque le niveau de tension de REFADJ est celui du potentiel de la masse virtuelle (P2 mis à 0 Ω). Les 2 broches ainsi dénommées sont interconnectées, de sorte qu’il est possible d’ajuster le niveau par le biais d’un seul ajustable.

Il est possible ainsi, par exemple, en jouant sur P2, d’étalonner le montage pour un signal LINE (ligne) de 2 V à pleine échelle (correspondant au niveau à la sortie d’un lecteur de CD ou autre équipement similaire). La tension de référence interne est de 1,28 V typique.

Dans le cas d’un signal parfaitement sinusoïdal cela signifie une sensibilité de 1,42 Veff (1,28 x π)/2√2.

Commande des ampoules :

Le courant de d’amorçage des opto-triacs utilisés ici est de 8t de 50 mA au maximum. Nous avons opté pour un courant d’amorçage de 16 mA (10 x 1,28 V/R20), valeur supérieure au minimum requis, ceci pour rester du côté « safe ».

À des fins de contrôle, chacune des entrées d’amorçage a été dotée d’une LED avec résistance de limitation de courant de manière à pouvoir s’assurer, même en l’absence d’ampoules, que le pilotage des opto-triacs se fait bien.

La fonction première des résistances est de limiter la dissipation des LM3915, mais elles permettent également de contrôler le courant d’amorçage. Autre caractéristique intéressante du LM3915 : il offre, par le biais de sa broche 9, le choix entre un mode barre-graphe (bar) et un mode point par point (dot).

Le choix du mode se fait par implantation, dans une position ou dans l’autre, du cavalier JP1. Lorsque l’on utilise 2 LM3915 montés en série et que l’on veut travailler en mode « point », il faut faire appel à une astuce si l’on veut disposer de la LED de poids fort (MSB) du LM3915 inférieur; comme cette sortie n’est pas utilisée, cela n’est pas nécessaire ici.

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Figure 3. Le sous-ensemble le plus proéminent sur la platine est celui des 10 opto-triacs (+ fusible + bornier) destinés à la commande des lampes.

Liste des composants :

Résistances :
R1,R9 = 10 kΩ
R2 = 220 Ω
R3 = 27 kΩ
R4,R7 = 100 kΩ
R5 = 3kΩ9
R6 = 3kΩ3
R8 = 39 kΩ
R10 = 5kΩ6
R11 = 220 kΩ
R12,R13,R14 = 10kΩ0
R15,R16 = 20kΩ0
R17 = 47 kΩ
R18 = 1kΩ00
R19 = 30Ωk9
R20,R21 = 820 Ω
R22 à R31,R34 = 100 Ω
R32 = 1kΩ2
R33 = 470 Ω
R35 = 4Ω7
R36 = 2kΩ7
P1 = ajustable 500 kΩ
P2 = ajustable 500 Ω

Condensateurs :
C1,C2 = 22 μF/40 V radial
C3,C14 = 470 μF/16 V radial
C4 = 15 pF
C5 = 56 nF au pas de 5 mm
C6 = 2nF7 au pas de 5 mm
C7 = 4nF7 au pas de 5 mm
C8 = 8nF2 au pas de 5 mm
C9 = 10 nF au pas de 5 mm
C10,C11 = 2μF2/63 V radial
C12 = 100 nF
C13 = 100 nF au pas de 5 mm
C15 = 1 000 μF/6V3 radial
C16 = 470 μF/10 V radial
C17 = 10 μF/63 V radial
C18 = 470 μF/25 V radial

Semi-conducteurs :
D1 à D10 = LED rouge (pas de haut rendement !)
D11 = 1N4148
D12 = BAT85
D13 = LED verte (haut rendement)
IC1 = TLC274
IC2 = TLC272
IC3,IC4 = LM3915 (National Semiconductor)
IC5 à IC14 = S202S02 (Sharp)
IC15 = 7808

Divers :
JP1 = embase auto sécable mâle à 2 contacts + cavalier
JP2 = embase auto sécable mâle à 3 contacts + cavalier
K1 à K11 = bornier à 2 contacts au pas de 7,5 mm
K12 = embase Cinch pour montage châssis
Tr1 = transfo 9 V/4VA8 tel que, par exemple, Gerth 421.09
B1 = B80C1500 plat (– ~ + ~)
F1 à F10 = porte-fusible + fusible 0A5/F
MIC1 = capsule électret MCE2000
Monacor (ou équivalent)
F11 = porte-fusible + fusible 32 mA/T

Quelques points pratiques :

La figure 3 vous propose la platine développée à l’intention du phonomètre. De par la présence de 10 borniers de connexion des ampoules et d’un nombre identique de fusibles destinés à protéger les opto-triacs, la platine présente un certain embonpoint, mais cela n’a pas de conséquence néfaste, bien au
contraire, sur la complexité de la réalisation.

Tous comptes faits, le nombre de composants requis n’a pas de quoi effrayer et comme le dessin des pistes est bien aéré, la réalisation de ce montage est également à la portée d’amateurs d’électronique moins expérimentés auxquels il ne devrait pas poser de problème.

Pour peu que l’on respecte les indications de la sérigraphie et de la liste des composants et que l’on évite toute erreur de valeur au niveau des résistances, tout devrait bien se passer.

Comme d’habitude on commencera par l’implantation des composants de petite taille pour terminer par les plus encombrants. Les borniers, les opto-triacs et le transformateur termineront l’étape de mise en place des composants.

Les circuits intégrés seront montés sur support. Le dessin des pistes respecte l’isolation de classe II; les opto-triacs respectent eux aussi, très largement,
cette norme (isolation de 4 kVeff !).

Nous avons choisi de monter également sur la platine, la circuiterie requise par l’alimentation ainsi d’ailleurs que le transformateur, ceci en vue de simplifier la réalisation.

Comme le montre un examen de la figure 1, l’alimentation est du type classique, sa recette repose sur un transformateur de 4,8 VA, un pont de redressement (attention à la polarité), un condensateur de lissage et une référence de tension 8 V, IC15.

La LED D13 fait office d’indicateur marche/arrêt. Il est recommandé, pour bloquer les parasites en provenance du réseau secteur, de prévoir un bon filtre secteur (charge de service de 5 A au minimum !). Permettez-nous, en guise de conclusion, de parler de la « mise en boît(i)e(r) » de cette réalisation.

Il n’est sans doute pas nécessaire d’insister sur le fait que la sécurité requiert, de préférence, un coffret en plastique. Vous n’aurez pas de problème à en trouver un de la taille adéquate. Si l’on opte pour un boîtier de plastique transparent les LED resteront visibles même lorsque le boîtier sera fermé.

Si l’on utilise un plastique opaque il faudra monter les LED à une hauteur telle qu’elles affleurent la partie supérieure du boîtier. Sur notre prototype nous avons utilisé des LED de différentes couleurs : rouge pour D1 et D2, jaune pour D3 à D5 et vert pour D6 à D10.

Il restera à veiller, lors de la mise en boîtier et du câblage, à ne pas créer de court-circuit; on utilisera soit une entrée secteur classique soit un dispositif
anti-arrachement pour le câble de liaison vers le secteur. Pour vous éviter d’avoir à chercher, sachez que le bornier du câble allant vers le secteur se trouve exactement au milieu des 8 borniers destinés à recevoir les lampes.

À pleine modulation et à charge maximale du circuit (100 W au maximum par ampoule !) il faudra veiller à disposer d’une bonne ventilation, les opto-triacs
IC5 à IC14 produisent pas mal de chaleur lorsqu’ils doivent commuter une puissance importante.

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Figure 4. Voici à quoi devrait ressembler votre montage une fois qu’il sera terminé.

Source : Elektor
Auteur : n/c

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