Mesure du son avec des microphones

Qu’est-ce que la pression acoustique ?

Les variations de pression, que ce soit dans l’air, dans l’eau ou dans un autre milieu que l’oreille humaine peut détecter, sont considérées comme des sons. Le tympan humain transforme les oscillations de pression, ou sons, en signaux électriques que notre cerveau interprète comme de la musique, des paroles, du bruit, etc. Les microphones sont conçus pour faire la même chose. Vous pouvez ensuite enregistrer et analyser ces signaux afin de recueillir des informations sur la nature du chemin emprunté par le son entre la source et le microphone. Par exemple, dans les tests de bruit, de vibration et de dureté, les ingénieurs cherchent généralement à réduire les sons indésirables, tels que le bruit perçu par les passagers d’une voiture pendant la conduite. Ces sons peuvent inclure des sons supérieurs ou inférieurs aux fréquences perceptibles par l’oreille humaine ou des amplitudes à des fréquences de résonance spécifiques. Ces mesures sont importantes pour les concepteurs désireux de réduire le bruit pour respecter les normes d’émissions ou pour caractériser un dispositif en termes de performances et de longévité.

La pression acoustique est la mesure la plus courante, car les humains sont exposés au son et peuvent détecter la pression acoustique. Mesuré en pascal (Pa), le niveau de pression acoustique représente la façon dont un récepteur perçoit le son. Vous pouvez également déterminer la puissance acoustique d’une source. Mesuré en watts (W), le niveau de puissance acoustique représente l’énergie acoustique totale rayonnée dans toutes les directions. Il est indépendant de l’environnement, notamment de la pièce, des récepteurs ou de la distance avec la source. La puissance est une propriété de la source, alors que la pression acoustique dépend de l’environnement, des surfaces réfléchissantes, de la distance du récepteur, des sons ambiants, etc.

Mesure du son avec des microphones

Vous pouvez choisir parmi plusieurs modèles de microphones, mais les microphones d’instrumentation les plus courants sont les microphones à condensateur à polarisation externe, les microphones à condensateur électret prépolarisé et les microphones piézoélectriques.

Figure 1. Un microphone est un transducteur qui convertit les ondes acoustiques en signaux électriques.

Microphones à condensateur

Un microphone à condensateur fonctionne selon une conception capacitive. Il renferme un diaphragme en métal tendu qui forme une plaque d’un condensateur. Un disque métallique placé près du diaphragme fait office de contre-plaque. Lorsqu’un champ acoustique active le diaphragme, la capacité entre les deux plaques varie en fonction de la variation de la pression acoustique. Une tension continue stable est appliquée aux plaques par le biais d’une résistance élevée pour maintenir les charges électriques sur la plaque. Le changement de la capacité génère une sortie en courant alternatif proportionnelle à la pression acoustique. La charge de ce condensateur est générée soit par une tension de polarisation externe, soit par les propriétés du matériau lui-même, comme dans le cas des microphones prépolarisés. Les microphones à polarisation externe exigent une alimentation externe de 200 V. Les microphones prépolarisés sont alimentés par des préamplificateurs IEPE qui requièrent une source de courant constante.

Figure 2. Le microphone d’instrumentation le plus courant, un microphone à condensateur, fonctionne selon une conception capacitive.

Microphones piézoélectriques

Les microphones piézoélectriques utilisent une structure cristalline pour générer la tension de la contre-plaque. De nombreux microphones piézoélectriques utilisent le même conditionnement de signal que les accéléromètres et peuvent utiliser le conditionnement de signal IEPE pour fournir la tension de polarisation. Bien que ces microphones de type capteur présentent un faible niveau de sensibilité, ils ont une longue durée de vie et sont capables de mesurer des gammes de pression de grande amplitude. À l’inverse, le niveau de bruit de fond de ce type de microphone est généralement élevé. Ce modèle convient aux applications de mesure de la pression et des chocs et des explosions.

Choisir le bon microphone

Pour choisir le meilleur microphone, il faut prendre en compte le type de champ de réponse, la réponse dynamique, la réponse en fréquence, le type de polarisation, la sensibilité nécessaire et la gamme de température. Il existe aussi divers types de microphones spécialisés pour des applications spécifiques. Pour pouvoir choisir et spécifier un microphone, le premier critère à prendre en compte est l’application et ce que représentent le son et l’environnement.

Pour en savoir plus sur les composants et la conception des microphones, reportez-vous au Manuel du microphone.

Tenir compte du champ de réponse du microphone

Vous devez choisir le microphone qui convient le mieux au type de champ dans lequel vous allez l’utiliser. Les trois types de microphones de mesure sont le champ libre, le champ de pression et l’incidence aléatoire. Ces microphones fonctionnent de manière similaire à basse fréquence, mais différemment à haute fréquence.

Le microphone le plus courant est un microphone à champ libre. Il mesure la pression acoustique d’une source unique directement au niveau du diaphragme du microphone. Il mesure la pression acoustique telle qu’elle existait avant que le microphone ne soit introduit dans le champ acoustique. Ces microphones fonctionnent mieux dans des espaces ouverts, sans surfaces dures ou réfléchissantes. Les chambres anéchoïques ou les grandes surfaces ouvertes sont idéales pour les microphones en champ libre.

Figure 3. Microphone à champ libre

Un microphone à champ de pression est conçu pour mesurer la pression acoustique devant le diaphragme. Il a la même amplitude et la même phase à n’importe quelle position dans le champ. Il se trouve généralement dans une enceinte, ou une cavité, qui est petite par rapport à la longueur d’onde. Les exemples d’applications de microphones à champ de pression incluent le test de la pression exercée sur les murs, sur les ailes d’un avion ou à l’intérieur de structures telles que des tubes, des boîtiers ou des cavités.

Figure 4. Microphone à champ de pression

Souvent, le son ne provient pas d’une source unique. Les microphones à incidence aléatoire ou à champ diffus répondent uniformément aux sons qui arrivent simultanément de tous les angles. Ce type de microphone est utilisé pour effectuer des mesures acoustiques dans une église ou dans un endroit doté de murs durs et réfléchissants. Cependant, pour la plupart des microphones, les réponses à la pression et à l’incidence aléatoire sont similaires, de sorte que les microphones à champ de pression sont souvent utilisés pour les mesures d’incidence aléatoire.

Figure 5. Microphone à incidence aléatoire

Choisir la bonne gamme dynamique

Le critère principal pour décrire le son s’appuie sur l’amplitude des fluctuations de la pression acoustique. L’amplitude la plus basse qu’une oreille humaine en bonne santé peut détecter est de 20 millionièmes de pascal (20 μPa). Comme les nombres de pressions représentés par les pascals sont généralement faibles et difficiles à gérer, une autre échelle plus couramment utilisée, l’échelle des décibels (dB), a été développée. Cette échelle logarithmique correspond plus fidèlement aux réactions de l’oreille humaine aux fluctuations de pression. Voici quelques exemples de niveaux de pression acoustique typiques à utiliser comme référence :

Les fabricants spécifient le niveau maximal en décibels en fonction de la conception et des caractéristiques physiques du microphone. Le niveau dB maximal spécifié fait référence au point où le diaphragme s’approche de la contre-plaque, ou au point où la distorsion harmonique totale (THD) atteint une quantité spécifiée, généralement 3 % de THD. Le niveau maximal de décibels qu’un microphone génère dans le cas d’une application particulière dépend de la tension fournie et de la sensibilité de ce microphone particulier. Avant de pouvoir calculer la sortie maximale d’un microphone en utilisant un préamplificateur spécifique et sa tension de crête correspondante, vous devez d’abord calculer la pression en pascal que le microphone peut accepter. Vous pouvez calculer la pression à l’aide de la formule suivante :

Où P = pascals (Pa) et tension est la tension de crête de sortie du préamplificateur.

Après avoir déterminé le niveau de pression maximum que le microphone peut détecter à sa tension de crête, vous pouvez convertir cette quantité en décibels (dB) en utilisant l’échelle logarithmique suivante :

Où P = pression en pascals

P_o = pascals de référence (constant = 0,00002 Pa)

Cette formule fournit la valeur maximale qu’un microphone, lorsqu’il est associé à un préamplificateur spécifique, est capable de mesurer. Pour le niveau de bruit le plus faible, ou la pression minimale requise, vous devez examiner le bruit thermique de la cartouche (CTN, cartridge thermal noise rating) du microphone. La spécification CTN fournit le plus bas niveau de pression acoustique mesurable qui peut être détecté au-dessus du bruit électrique inhérent au microphone. La figure 6 montre la représentation typique du niveau de bruit à différentes fréquences dans le cas d’un microphone utilisé avec un préamplificateur.

Figure 6. Le niveau de bruit inhérent est à son maximum aux capacités supérieures et inférieures du microphone. 

Lorsque vous choisissez un microphone, vous devez vérifier que les niveaux de pression que vous testez se situent entre le CTN et le niveau de décibels maximal du microphone. En général, plus le diamètre du microphone est petit, plus le niveau de décibels le plus élevé est élevé. Les microphones de plus grand diamètre ont généralement un CTN plus faible, c’est pourquoi ils sont recommandés pour les mesures de décibels à basse fréquence.

Passer en revue les spécifications pour évaluer la réponse en fréquence

 

Après avoir déterminé le type de réponse en champ et la gamme dynamique du microphone nécessaires, consultez la fiche technique du microphone pour connaître la gamme de fréquences utilisable (Hz). Les microphones de plus petit diamètre ont généralement une capacité de niveau de fréquence supérieure plus élevée. Inversement, les microphones de plus grand diamètre sont plus sensibles et mieux adaptés à la détection de fréquences plus basses.

 

Les fabricants appliquent une tolérance standard de ±2 dB aux spécifications de fréquence. Lorsque vous comparez des microphones, assurez-vous de vérifier la gamme de fréquences et la tolérance associée à cette gamme de fréquences spécifique. Si une application n’est pas critique, vous pouvez améliorer la gamme de fréquences utilisable pour ce microphone si vous êtes désireux d’augmenter votre tolérance en décibels. Vous pouvez consulter le fabricant ou la fiche d’étalonnage d’un microphone particulier afin de déterminer la gamme de fréquences réellement utilisable pour des tolérances en décibels spécifiques.

 

 

Choisir le type de polarisation

 

Les microphones à polarisation externe traditionnels et les microphones prépolarisés modernes se prêtent bien à la plupart des applications, mais ils présentent certaines différences. Les microphones à polarisation externe sont recommandés pour les températures élevées (de 120 °C à 150 °C), car le niveau de sensibilité est plus constant dans cette gamme. Les microphones prépolarisés ont tendance à être plus constants dans des conditions humides. Les changements soudains de température qui entraînent la condensation sur les composants internes risquent peuvent court-circuiter les microphones à polarisation externe.

 

Comme les microphones à polarisation externe nécessitent une source d’alimentation distincte de 200 V, vous êtes limité à un câblage à 7 conducteurs avec des connecteurs LEMO dans cette configuration. Les nouveaux microphones prépolarisés sont devenus plus populaires, car ils sont alimentés par une alimentation en courant constant de 2 à 20 mA facile à utiliser. Avec cette conception, vous pouvez utiliser des câbles coaxiaux standard avec des connecteurs coaxiaux BNC ou 10-32 pour l’alimentation en courant et le signal vers le périphérique de lecture.

 

 

Connaître votre amplitude thermique

La sensibilité du microphone diminue à mesure que la température s’approche des spécifications maximales du microphone. Vous devez non seulement être attentif à la température de fonctionnement, mais aussi à la température de stockage du microphone. Le fonctionnement et/ou le stockage d’un microphone dans des conditions extrêmes peut nuire à son fonctionnement et augmenter ses besoins d’étalonnage. Dans de nombreux cas, le préamplificateur requis peut être le facteur limitant de la gamme de températures de fonctionnement. Bien que la plupart des microphones puissent fonctionner jusqu’à 120 °C sans perte de sensibilité, les préamplificateurs requis pour ces microphones fonctionnent généralement dans la gamme 60 °C à 80 °C.

Utiliser un microphone spécialisé pour des applications particulières

Lorsque la température devient un problème, un microphone sonde offre une solution alternative. Le microphone sonde a été conçu pour les mesures de pression acoustique dans des environnements difficiles. Il combine un microphone avec un tube d’extension de sonde. Cela permet à l’utilisateur de s’approcher très près des sources sonores. La pointe de la sonde envoie le signal acoustique au microphone situé dans le boîtier de la sonde. En plaçant certains des composants critiques dans un boîtier séparé, ce type de microphone peut être utilisé dans des applications à très hautes températures ou lorsque l’accès à la source sonore est trop étroit pour un microphone à condensateur typique.

Les applications qui requièrent un microphone entièrement submersible présentent leurs propres défis. Les hydrophones ont été conçus pour détecter les signaux de pression acoustique sous-marins. Cette conception résistante à la corrosion permet d’effectuer des tests, des mesures et des suivis sous-marins industriels et scientifiques. Différents modèles sont disponibles pour différentes sensibilités, différents niveaux de décibels de fréquences et différentes profondeurs de fonctionnement.

Les sonomètres sont conçus par les fabricants pour fournir un moyen rapide et pratique d’obtenir une indication du niveau de pression acoustique. Ce modèle renferme tous les composants nécessaires pour mesurer la pression acoustique. Cette petite unité portable comprend le microphone, le préamplificateur, la source d’alimentation, le logiciel et l’écran. C’est un excellent choix pour réaliser une mesure en dB dans un environnement industriel, pour l’évaluation du bruit dans les communautés, les mesures d’exposition au bruit, les mesures de tirs d’artillerie et bien d’autres applications. Le sonomètre peut être fourni avec un certain nombre d’options, notamment la pondération A, des analyseurs en temps réel et des options logicielles.

Lorsque des mesures impliquant l’amplitude et la direction du son doivent être capturées, une sonde d’intensité se révèle être un excellent choix. En prenant deux microphones en phase et en plaçant une entretoise entre eux, l’utilisateur peut non seulement déterminer le niveau de pression, mais aussi la vitesse et la direction des ondes sonores qui se propagent. Différentes tailles d’entretoise sont disponibles pour mesurer la vitesse des particules à différentes fréquences. Les fréquences plus élevées nécessitent généralement une entretoise plus petite. Les entretoises plus grandes conviennent aux fréquences plus basses et aux situations où il y a de la réverbération.

Pour les applications d’holographie acoustique en champ proche (NAH) où les valeurs de champ tridimensionnelles doivent être étudiées, il est recommandé d’utiliser une configuration de microphones en réseau. En prenant un certain nombre de microphones en réseau et en les espaçant selon un modèle prédéterminé, et en les combinant avec le logiciel approprié, la transformation spatiale d’un champ de pression acoustique complexe est projetée pour cartographier efficacement le flux d’énergie acoustique. Les microphones en réseau sont un excellent choix pour les essais acoustiques à grand nombre de canaux. Les fiches techniques électroniques des transducteurs (TEDS, Transducer Electronic Data Sheet) sont une option recommandée pour les réseaux, car elles permettent à l’utilisateur d’identifier rapidement et facilement un microphone particulier. Ces puces et logiciels TEDS permettent à l’utilisateur de stocker des informations sur le modèle de microphone, le numéro de série, la date d’étalonnage, ainsi que les spécifications de la sensibilité, de la capacitance, de l’impédance, etc., des microphones, qui peuvent être téléchargées et aider à garantir des résultats de test précis.

Les microphones d’extérieur ont été développés pour pouvoir résister aux expositions environnementales exigeantes auxquelles ces microphones seront soumis. Le bruit des aéroports ou de la circulation routière est de plus en plus utilisé pour les essais et les mesures afin d’assurer la sécurité des personnes. Les microphones environnementaux et les microphones d’extérieur fournissent différents niveaux de protection pour les composants internes, tout en conservant leurs performances de haute précision.

Conditionnement du signal pour les microphones

Lorsque vous préparez un microphone pour qu’il soit correctement mesuré par un périphérique DAQ, vous devez tenir compte des éléments suivants pour vous assurer que vous répondez à toutes vos exigences en matière de conditionnement du signal :

• L’amplification pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit
• Courant d’excitation pour alimenter les préamplificateurs dans les capteurs IEPE
• Couplage en courant alternatif pour éliminer l’offset en courant continu afin d’augmenter la résolution et de profiter de la gamme complète du périphérique d’entrée
• Le filtrage pour supprimer les bruits externes à haute fréquence
• Mise à la terre appropriée pour éliminer les bruits du flux de courant entre différents potentiels de masse
• Gamme dynamique pour mesurer toute la gamme d’amplitude du microphone

Pour vous familiariser avec le matériel de mesure et le traitement logiciel nécessaires pour effectuer des mesures de températures, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures précises avec un capteur.

Connecter des microphones au matériel NI

Une fois que vous connaissez vos besoins en matière de capteur ou de test, la prochaine étape importante consiste à choisir le matériel pour collecter ces données. La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données que vous collectez. 

NI propose une variété de matériels pour son et vibrations conçus pour acquérir des données sonores et compatibles avec divers capteurs IEPE.  

Pour vérifier la compatibilité entre un périphérique NI pour son et vibrations et un capteur IEPE, un microphone, etc., utilisez le guide Tension d’excitation et de conformité pour les capteurs IEPE. Si un préamplificateur est utilisé, le matériel NI pour son et vibrations fonctionne toujours, mais les caractéristiques du signal peuvent changer. Vérifiez que la sortie du préamplificateur respecte la gamme d’entrée du matériel pour son et vibrations. De la même manière, dans le cas des capteurs non-IEPE, assurez-vous que la sortie du capteur est adaptée aux capacités d’entrée du périphérique.