Microphone directionnel pour petits instruments de musique

Dans un groupe de musiciens, l’harmonica possède, par rapport aux autres instruments, un niveau qui s’avère, dans bien des cas, insuffisant. Si l’on augmente le volume de l’amplificateur le risque de se voir confronté au fameux effet de Larsen, une réinjection de signal se traduisant par un sifflement strident. La solution miracle à ce problème est d’utiliser un microphone dont la caractéristique de « directionnalité » aura été peaufinée avec soin.

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Les microphones dont la sensibilité est partout la même, égale dans toutes les directions donc, sont dits posséder une caractéristique d’omnidirectionnalité.

Ce type de microphone réagit aux variations de pression engendrées par le son. La pression est une grandeur qui exerce la
même force dans toutes les directions, ce qui explique que l’on décrive le principe de fonctionnement des microphones  omnidirectionnels comme étant celui d’un capteur de pression (figure 1a).

À l’opposé on trouve le capteur à gradient de pression. Le gradient de pression, la variation de la pression du son dans l’espace, est une grandeur relatée typiquement à la direction.

Dans la direction de la source sonore le gradient est maximal, à la perpendiculaire (90 °) de la source de signal il est égal à zéro et, à l’opposé (180 °), il est à nouveau maximal, mais avec le signe inverse cette fois.

Dans le cas d’un microphone possédant une caractéristique de capteur à gradient de pression pur, la sensibilité du microphone relatée à l’angle de la source sonore, prend la forme d’un huit (8, figure 1b).

La plupart des microphones présentent une caractéristique située à mi chemin entre ces 2 extrêmes. Il est possible, par  superposition d’une caractéristique omnidirectionnelle et d’une caractéristique en 8, d’obtenir un maximum de sensibilité orienté
dans une direction seulement, ce qui nous donne la fameuse caractéristique de cardioïde (figure 1c).

On peut, si tant est que l’on accepte d’avoir un maximum un peu plus faible dans la direction opposée à celle de la source sonore, étendre encore plus le  maximum dans la direction de la source sonore, ce qui nous donne la caractéristique de super-cardioïde (figure 1d).

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Figure 1. De l’omni-directionnalité à la super-cardioïde : il existe différentes caractéristiques de microphone.

Double omnidirectionnalité = super-cardioïde :

Comment fait-on pour réaliser un capteur à gradient de pression ? Il suffit de prendre 2 capteurs de pression que l‘on dispose à une certaine distance –relativement faible car il est difficile de faire autrement– l’un de l’autre puis ensuite de différencier (faire la soustraction) leurs signaux de sortie.

Les capteurs de pression pourront être n’importe quel capsule de micro où il est impossible au son d’arriver sur l’arrière de la membrane, les capsule de micro à électret par exemple. Il faut veiller à ce que, en aucun cas, la distance entre les 2 capsules ne
devienne trop importante.

En effet, si la demi-longueur d’onde du son en question est très exactement égal à la distance séparant les 2 membranes, les pressions soniques sont déphasés de 180 ° très exactement. L’amplificateur différentiel élimine cette opposition de phase de sorte
que l’on a, en final, non pas une atténuation du signal de différencie mais son amplification. Partant, aux fréquences élevées, le microphone perd sa caractéristique de directionnalité.

Mise au point d’un microphone de ce genre et développé le préamplificateur correspondant, combinaison qui permet de mélanger les signaux fournis par les 2 capsules selon un rapport variable : la caractéristique de directionnalité en est devenue ajustable.

fig 2

Figure 2. Les 2 capsules de microphone sont montées, « cul à cul » dans un enrobage en caoutchouc

La figure 2 illustre la structure d’un microphone de ce type. Les capsules microphoniques sont placées dans un petit tuyau de caoutchouc (fournis en même temps que les capsules), tuyau que l’on aura coupé longitudinalement à l’aide d’un cutter.
L’isolation des contacts électriques se fait à l’aide d’une petite plaquette de plastique que l’on aura trouée à l’aide d’une  perforatrice de bureau. Les faces avant des capsules microphoniques étaient distantes de quelque 15 mm, ce qui se traduit par une fréquence limite de 11 kHz pour la directionnalité.

Au delà de 11 kHz, le microphone redevient sensible à la réinjection, ce qui signifie qu’il est préférable de diminuer, au niveau de l’amplificateur, les aigus (fréquences élevées).

On place l’ensemble ainsi constitué, comme l’illustre la figure 3, dans un boîtier miniature que l’on aura modifié d’une certaine façon : on troue les 2 côtés du boîtier de façon à permettre au son d’arriver sans encombre aux 2 capsules de microphone. Le passage du câble, sur le côté gauche, est fixé à une équerre en aluminium et partant solidaire du boîtier, l’ensemble des 2 capsules « flottant » entre 2 couches de mousse. Une 3ème épaisseur de mousse, plus fine elle, est placée devant le microphone,
constituant ainsi une protection importante du microphone dans sa direction de sensibilité primaire.

fig 3

Figure 3. Le boîtier des micros de l’auteur à micro flottant.

On utilise ce micro sur une harmonica et l’a partant doté de 2 spécificités. Les 2 vis à tête fraisée de fixation de l’équerre en aluminium fixent, à l’extérieur, un manchon en bande Velcro qui permet de positionner et maintenir aisément le microphone sur deux
des doigts. Il s’est en outre avéré qu’il fallait refermer (à la colle) certains des orifices sachant que sinon le flux d’air produit par la
respiration par le nez devenait audible.

On placera, sur l’avant du boîtier, une capsule pour casque d’écoute en mousse qui atténuera les bruits de déplacement d’air produits par les barbes que pourraient comporter les orifices percés dans le boîtier.
Les capsules microphoniques sont reliée, en phase, aux âmes d’un câble de micro bifilaire blindé, les 2 autres extrémités de câble étant reliées ensemble au blindage. L’autre extrémité du câble est doté d’un jack 3,5 mm mâle stéréo Tout le monde sait que ce type de jack 3,5 mm ne constitue pas la solution idéale pour une utilisation sur scène en raison du risque de mauvais contacts. Il est préférable d’utiliser un connecteur DIN à 5 pôles dont on aura connecté 2 x 2 contacts en parallèle (la masse passe par le
contact 2 et le blindage du connecteur).

Le préamplificateur de micro :

La figure 4 présente l’électronique constituant le préamplificateur différentiel.
Les capsules de micro à condensateur électret comportent, en interne, un convertisseur d’impédance à FET et se comportent
comme une sorte de source de courant fournissant de l’ordre de 250 μA.

Cette valeur de courant peut varier d’un type de micro à électret à l’autre et même entre types de capsules identiques. Le signal sonore module le courant constant et il apparaît que la sensibilité de ce processus peut varier fortement d’un exemplaire à
l’autre.

On a donné aux résistances de limitation amont des capsules micro R1 et R2/P1 une valeur telle que l’on y ait une chute de tension
égale à la moitié de la tension d’alimentation; il y reste partant la demi tension d’alimentation.

La précision de cette valeur est sans gravité en ce qui concerne la capsule MIC1 sachant qu’elle est découplée en tension continue par rapport à l’électronique du préamplificateur.

La résistance de limitation de MIC2 elle au contraire détermine le réglage en tension continue de l’ensemble du circuit, ce qui  explique que l’on en règle la valeur, par action sur P1, de manière à ce que la tension continue de sortie de l’amplificateur opérationnel soit bien égale à la moitié de la tension d’alimentation.

Les signaux des 2 micros sont ensuite appliqués à l’amplificateur opérationnel sis en aval, composant monté en amplificateur  différentiel. L’auteur utilise à ce niveau un TL071, nous recommandons quant à nous un amplificateur opérationnel rail à rail broche à broche tel que le OPA181GP, TS921IN ou OPA350PA, de manière à pouvoir utiliser le dernier milliampère-heure que peut fournir la pile.

P2 permet, selon le cas, d’atténuer ou d’amplifier le signal de MIC2, ceci de manière à permettre de compenser les tolérances relevées entre les 2 exemplaires de capsules microphoniques.
Ce réglage exerce cependant une influence sur la caractéristique de directionnalité.

Si l’on pouvait amener la paire R5 + P2 à zéro, cela mettrait le micro MIC2 hors-fonction de sorte que l’on se trouverait en présence
de la caractéristique d’omnidirectionnalité de la capsule MIC1.
Si, au contraire, les signaux fournis par MIC1 et MIC2 étaient exactement égaux et que la paire R5 + P2 ait une valeur de 33 kΩ, on aurait trouvé le réglage correspondant à une caractéristique de 8.

Entre ces 2 positions extrêmes on aura une caractéristique de cardioïde ou de super-cardioïde. Le condensateur C4 élimine toute tendance à l’entrée en oscillations de l’amplificateur opérationnel. Côté sortie, on trouve, en aval du l’organe de commande du volume, P3, un condensateur de sortie bipolaire, C6, chargé de bloquer toute tension d’alimentation fantôme.

L’embase de sortie prend la forme d’une prise châssis 6,3 mm telle qu’on les trouve couramment dans le monde de la sonorisation, la prise en question étant cependant dotée d’un interrupteur intégré isolé. Cet inter-rupteur a pour mission de n’activer le montage
que lorsque la fiche est enfichée dans la prise. Cette approche permet de ne pas prévoir d’interrupteur marche/arrêt, organe qu’il
est facile d’oublier de couper avec comme résultat un épuisement de la pile, situation que l’on ne découvrira que lors de la prochaine utilisation du montage.

Il ne vous faudra pas longtemps pour implanter les différents composants sur la petite platine dont on retrouve le dessin des pistes et la sérigraphie de l’implantation des composants en figure 5.

Cette mise en place des composants ne devrait pas poser de problème. Le boîtier à utiliser sera doté d’un compartiment pour pile. Le potentiomètre P2 sera du type à axe enfichable qui passera par un orifice percé juste en face; il permettra ainsi un réglage aisé de la directionnalité.

Il est important de veiller à une mise en boîtier stable et à un câble correct et propre des embases, de manière à éviter que votre instrument ne devienne, d’une seconde à l’autre muet au cours d’un concert sur scène, ceci en raison d’un faux contact malheureux !

schéma

Figure 4. L’électronique de l’amplificateur différentiel pour micro.

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Figure 5. La platine prend place dans un boîtier à clip pour ceinture et compartiment pour pile.

Liste des composants :

Résistances :
R1,R5 = 22 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3,R4,R6 = 33 kΩ
R7 = 220 Ω
P1 = ajustable 22 kΩ
P2 = ajustable 47 kΩ
P3 = potentiomètre log 10 kΩ version mono miniature

Condensateurs :
C1 = 10 μF/63 V vertical
C2 = 100 nF
C3,C6,C7 = 22 μF/40 V vertical
C4 = 100 pF
C5 = 1 μF/63 V vertical

Semi-conducteurs :
IC1 = TL071CP

Divers :
Bt1 =pile compacte 9 V avec connecteur à pression
MIC1,MIC2 = capsule micro miniature à condensateur avec fixation par caoutchouc telle que, par exemple, MCE2000 (Monacor)
Embase 3,5 mm-stéréo ou embase DIN à 5 contacts pour montage châssis*
K1 = jack 6,3 mm-mono à interrupteur isolé pour montage châssis boîtier à compartiment pour pile (et clip pour ceinture de 102 x ⋅61 x 26 mm environ

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