Microphone capteur d’infrasons avec une capsule à électret

Le prix des microphones capteurs d’infrasons de fabrication industrielle les met hors de portée de l’utilisateur moyen. Mais si la précision ne doit pas forcément atteindre celle d’un instrument de mesure, il reste la possibilité de tirer parti de quelques composants repêchés dans la caisse à bricolage.

Un microphone sert à convertir le son en une tension électrique avec la distorsion la plus faible possible. La conversion est effectuée en 2 étapes : acoustique/mécanique par la capsule du microphone, et mécanique/électrique par le transducteur. Les grandeurs caractéristiques d’un microphone sont sa directivité et sa courbe de réponse.

La directivité ne nous intéresse que médiocrement, contrairement à la courbe de réponse. Comment contraindre un microphone dont les caractéristiques techniques offrent une courbe de réponse qui ne commence par exemple qu’à 50 Hz de transmettre les infrasons dont la fréquence descend jusqu’à quelques Hertz ?

La réponse à cette question nécessite un brin de théorie.

La courbe de réponse d’un microphone dépend de l’interaction entre le transducteur et la capsule. On doit faire ici la distinction entre les microphones dynamiques (ruban, bobine mobile) et électrostatiques (condensateur). Les autres types de transducteurs à cristal, charbon ou contact appartiennent au passé.

Le choix du transducteur est grandement simplifié si le microphone doit être simple et peu coûteux. Il ne reste que le microphone à
électret fonctionnant selon le principe du condensateur. Il existe des capsules à électret peu coûteuses dans un grand nombre d’exécutions différentes. Pas besoin de tension de polarisation car la membrane (électrode) est constituée par un électret, en général une feuille de téflon chargée en permanence par un excès d’électrons.

Une couched’électret est aussi déposée sur la contre-électrode des microphones à électret haut de gamme.

La figure 1 montre la coupe d’un microphone à électret. La membrane constituée par un électret se trouve à l’avant, la contre-électrode est placée à faible distance derrière elle. La membrane est montée sur un anneau isolant. Le corps de matière plastique
qui occupe la plus grande partie de la capsule contient un petit adaptateur d’impédance (un banal étage FET).

La platine en carton bakélisé sur laquelle est fixé l’adaptateur d’impédance joue le double rôle de face arrière et de jonction de sortie. Le tout est contenu dans un petit tube d’aluminium à bords repliés.

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Coupe d’une capsule de microphone à électret.

Microphones à pression et microphones à gradient :

Si l’on examine attentivement un microphone à électret, on découvre un petit rien qui exerce toutefois une influence décisive sur le comportement en fréquence. Le bord du boîtier alu comporte des rainures sous l’anneau isolant.

En permettant un échange d’air entre les 2 faces de la membrane., elles transforment le microphone à pression en un microphone à gradient de pression.

La figure ci-dessous illustre leur différence fondamentale.

La membrane d’un microphone à pression se meut vers l’extérieur lorsque la pression d’air est plus basse (donc au creux de l’onde sonore) et vers l’intérieur lorsque la pression est plus élevée donc « au sommet de la vague ».

La membrane sera (tout au moins théoriquement) toujours déplacée quelle que soit la lenteur de la variation de la pression d’air. En pratique, les microphones à pression comportent une perforation capillaire permettant l’égalisation très lente des fluctuations
de la pression d’air. Il en va autrement avec un microphone à gradient de pression.

Le déplacement est causé par les différences de marche du son et de pression sonore (gradient de pression) ainsi causées sur les 2 faces de la membrane. Il n’y a pas besoin d’être Einstein pour en conclure que le gradient de pression diminue lorsque la fréquence décroît.

Les très basses fréquences ne sont reproduites que très faiblement par un microphone à gradient de pression, contrairement au microphone à pression qui transmet théoriquement à partir de 0 Hz.

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Comparaison entre un microphone à pression et un microphone à gradient de pression.

Les « ingrédients » :

Suffirait-il donc de sceller les rainures d’un microphone à gradient de pression, par exemple au moyen de colle, pour le transformer en un microphone à pression capteur d’infrasons ? Théoriquement oui, mais hélas pas en pratique : la colle affecterait la  membrane.

Il ne reste donc plus qu’à remplacer le boîtier ! Mais comme tout le monde ne dispose pas d’un tour pour fabriquer un boîtier sur mesure.

Prenons une prise Cinch pour câble (douille de couplage), une fiche de jack (3,5 mm) et un connecteur BNC muni d’un passe-câble à vis conformes aux modèles représentés déjà désassemblés sur la figure ci-dessous.

Il est important que la douille de couplage Cinch et la fiche de jack soient entièrement métalliques (le connecteur BNC n’existe de toute façon qu’en exécution métallique). Seules certaines parties des 3 connecteurs seront utilisées : les corps du couplage Cinch et de la fiche de jack ainsi que le passe-câble à vis de la prise BNC.

La capsule du microphone extraite de son boîtier sera placée dans le corps Cinch. Le diamètre intérieur du corps peut être plus petit que le diamètre extérieur du boîtier du microphone, mais la différence ne doit pas dépasser quelques dixièmes de millimètres. Serrer le corps dans le mandrin d’une perceuse et enrouler du papier abrasif grain 400 autour d’un cylindre de bois de diamètre
approprié.

Au lieu de se servir d’un tour, on meulera le corps autant qu’il faut, mais sans abîmer le filetage. C’est ensuite au tour du corps
du jack, qui doit avoir le même diamètre que le microphone « nu », d’être raccourci jusqu’à 10 mm.

Rectifier et ébarber soigneusement la coupe.

La figure 4 représente les éléments du nouveau boîtier du microphone déjà placés dans l’ordre d’assemblage. Passons au déménagement du microphone.

Le bord antérieur replié est enlevé jusqu’à la platine au moyen d’un couteau tranchant et solide. Gardez-vous ne fût-ce que d’effleurer l’entrée du microphone :cela pourrait endommager la membrane. Ne retirons pas encore le microphone. Il faut en effet fixer tout d’abord un câble blindé aux cosses à souder (Attention à la polarité !).

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Trois en un : les connecteurs utilisés.

Cuisine à l’étouffée :

Improvisons une salle blanche au moyen d’un sac à déchets transparent. La poussière, les graisses et autres huiles abîment en effet la membrane et les parties internes de la capsule.

N’oublions pas non plus les charges électriques.

Raccordons-nous à la terre et enfilons des gants de caoutchouc mince (sans talc, s’il vous plaît !), avant de pénétrer dans la « salle blanche ».

Saisir le câble pour positionner la capsule verticalement et retirer avec précaution le boîtier d’aluminium vers le haut. Enfiler tout aussi prudemment le corps du couplage Cinch sur la capsule sans toucher les parties internes de celle-ci. L’anneau isolant de la membrane doit se trouver au niveau du rebord intérieur du corps destiné normalement à immobiliser le manchon de protection du câble de la prise Cinch.

Introduire le corps scié du jack et le fixer au moyen du passe-câble à vis du connecteur BNC (figure 5).

Le microphone à infrasons, car c’en est un, peut être extrait de la « salle blanche ». Le boîtier est normalement assez hermétique
pour permettre d’effectuer des mesures dans le domaine subsonique. Pour atteindre la perfection, on peut appliquer à l’aide d’une
aiguille un peu de colle instantanée sur la zone de contact du corps et de l’anneau isolant en se gardant de toucher la membrane.

La membrane, très vulnérable à découvert, doit être protégée de la poussière et des contacts. C’est pourquoi on enfilera un tube
de plastique d’environ 20 mm de long et de diamètre approprié sur la partie avant et on en fermera l’ouverture avec une calotte de
mousse.

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Figure 4. Assemblage hétéroclite !

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Figure 5. Montage des éléments en « salle blanche ».

Amplification électronique :

La tension de sortie d’un microphone à condensateur est faible, c’est le moins qu’on puisse dire, et doit être amplifiée par plusieurs
puissances de 10 avant que le signal puisse être analysé.

L’alimentation de la première adaptation d’impédance, dans la capsule même, est assurée par les résistances R1/R2 de la figure 6. La tension alternative est transmise par le microphone au premier étage d’amplification IC1.A par le condensateur de couplage C3. L’impédance d’entrée est déterminée par R3, l’amplification par 1+R5/R4. C4 limite la bande passante et assure la stabilité de l’amplificateur.

Le gain de 34 est insuffisant car la tension du microphone varie de 30 à –70 dBu. Un deuxième étage IC1.B amplifie encore le signal d’un facteur 3,3 ou 30.

L’amplification totale est donc de l’ordre de 100 (dans la position de S1 indiquée) ou de 1000 dans l’autre position du commutateur. Et voilà comment utiliser n’importe quel modèle commercial de microphone à électret (à condition qu’il ait la bonne taille) pour  obtenir à la sortie du circuit un signal de niveau « Line ».

Mentionnons encore que l’amplificateur opérationnel double est un composant de précision (bonnes valeurs d’offset) de Maxim dont la consommation très basse facilite l’alimentation sur pile.

Pour analyser les infrasons, raccorder l’amplificateur du microphone à l’entrée de la carte son. Medusa, un programme idoine  (version d’essai gratuite) d’analyse des vibrations et des sons.

La courbe de réponse du microphone, de l’amplificateur et de la carte son n’est pas linéaire dans la plage des fréquences inférieures à 10 Hz.

Tant qu’on n’a aucun moyen de mesurer le gain des membres de la chaîne de mesure, on en est réduit aux valeurs estimées.
Comme le facteur de transmission du microphone capteur d’infrasons est inconnu, il a été posé (avec un optimisme considérable) égal à 1.

Les facteurs de correction de l’amplificateur du microphone utilisé et de la carte son (Terratec) ont été par contre estimés
Il est bien entendu possible de capter les infrasons avec un convertisseur A/D plutôt qu’une carte son. Nous utilisons l’interface UA-1A USB Audio Interface Edirol de Roland.

Les valeurs de correction sont alors les suivantes:

Si les 2 entrées de l’interface Edirol sont utilisées avec 2 microphones assez éloignés l’un de l’autre, il est même possible de tenter de repérer la source sonore.

tableau

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