Le son est le terme général donné aux « ondes acoustiques ». Les transducteurs sonores peuvent détecter ces ondes acoustiques qui ont des fréquences allant de 1 Hz à plusieurs dizaines de milliers de Hertz, avec une limite supérieure de l’audition humaine située autour de 20 kHz (20 000 Hz).

Le son que nous entendons est essentiellement constitué des vibrations mécaniques produites par un transducteur sonore audio utilisé pour générer les ondes acoustiques. Pour que le son puisse être « entendu », il nécessite un support pour la transmission, que ce soit à travers l’air, un liquide ou un solide.

Transducteur Sonore

De plus, le son lui-même n’a pas besoin d’être une onde sonore continue, comme une seule note ou un ton musical, mais peut également être une onde acoustique résultant d’une vibration mécanique, d’un bruit ou même d’une seule impulsion sonore comme un « bang ».

Les transducteurs sonores audio incluent à la fois des capteurs d’entrée, qui convertissent le son en signal électrique, comme un microphone, et des actionneurs de sortie, qui convertissent les signaux électriques en son, comme un haut-parleur.

Nous avons tendance à penser que le son n’existe que dans la plage de fréquences détectables par l’oreille humaine, de 20 Hz à 20 kHz (une réponse de fréquence typique des haut-parleurs), mais le son peut également s’étendre bien au-delà de ces plages.

Les transducteurs sonores peuvent aussi bien détecter que transmettre des ondes sonores et des vibrations, allant de très basses fréquences, appelées infrasons, à des fréquences très élevées, appelées ultrasons. Mais pour qu’un transducteur sonore puisse détecter ou produire du « son », nous devons d’abord comprendre ce qu’est le son.

Qu’est-ce que le son ?

Le son est essentiellement une onde d’énergie produite par une forme de vibration mécanique comme une fourchette de Whitestone, et qui a une « fréquence » déterminée par l’origine du son : par exemple, un tambour basse produit un son de basse fréquence tandis qu’un cymbale a un son de fréquence élevée.

Une onde sonore a les mêmes caractéristiques qu’une onde électrique, à savoir la longueur d’onde (λ), la fréquence (ƒ) et la vitesse (m/s). La fréquence du son et la forme de l’onde sont déterminées par l’origine ou la vibration qui a produit le son, mais la vitesse dépend du milieu de transmission (air, eau, etc.) qui transporte l’onde sonore. La relation entre la longueur d’onde, la vitesse et la fréquence est donnée ci-dessous :

Relation des Ondes Sonores

• Où :
• Longueur d’onde – est la période de temps d’un cycle complet en secondes, (λ)
• Fréquence – est le nombre de longueurs d’onde par seconde en Hertz, (ƒ)
• Vitesse – est la vitesse du son à travers un milieu de transmission en m/s^-1

Le Microphone Comme Transducteur Sonore d’Entrée

Le microphone, également appelé « mic », est un transducteur sonore qui peut être classé comme un « capteur sonore ». Cela signifie qu’il produit un signal de sortie analogue électrique proportionnel à l’onde sonore « acoustique » agissant sur son diaphragme flexible. Ce signal est une « image électrique » représentant les caractéristiques de l’onde acoustique. En général, le signal de sortie d’un microphone est un signal analogique soit sous forme de tension soit de courant, qui est proportionnel à l’onde sonore réelle.

Les types de microphones les plus courants disponibles en tant que transducteurs sonores sont dynamiques, à condensateur électret, à ruban et les nouveaux types à cristal piézoélectrique. Les applications typiques pour les microphones comme transducteurs sonores incluent l’enregistrement audio, la reproduction, la diffusion ainsi que les téléphones, la télévision, l’enregistrement numérique d’ordinateurs et les scanners corporels, où l’ultrasons est utilisé dans des applications médicales. Un exemple d’un microphone « dynamique » simple est illustré ci-dessous.

Microphone Dynamique à Bobine Mobile

La construction d’un microphone dynamique ressemble à celle d’un haut-parleur, mais à l’envers. C’est un microphone de type bobine mobile qui utilise l’induction électromagnétique pour convertir les ondes sonores en signal électrique. Il possède une très petite bobine de fil mince suspendue dans le champ magnétique d’un aimant permanent. Lorsque l’onde sonore frappe le diaphragme flexible, le diaphragme se déplace d’avant en arrière en réponse à la pression sonore agissant sur lui, provoquant le mouvement de la bobine de fil à l’intérieur du champ magnétique de l’aimant.

Le mouvement de la bobine à l’intérieur du champ magnétique provoque une tension induite dans la bobine, comme défini par la loi d’induction électromagnétique de Faraday. Le signal de tension de sortie résultant de la bobine est proportionnel à la pression de l’onde sonore agissant sur le diaphragme ; donc plus l’onde sonore est forte, plus le signal de sortie sera important, rendant ce type de conception de microphone sensible à la pression.

Comme la bobine de fil est généralement très petite, l’amplitude de mouvement de la bobine et du diaphragme est également très petite, produisant un signal de sortie très linéaire qui est 90^o en décalage par rapport au signal sonore. De plus, étant donné que la bobine est un inducteur à faible impédance, le signal de tension de sortie est également très faible, nécessitant une forme de « pré-amplification » du signal.

Comme la construction de ce type de microphone ressemble à celle d’un haut-parleur, il est également possible d’utiliser un haut-parleur réel comme microphone. Évidemment, la qualité moyenne d’un haut-parleur ne sera pas aussi bonne que celle d’un microphone d’enregistrement de studio, mais la réponse en fréquence d’un haut-parleur raisonnable est en fait meilleure que celle d’un microphone « gratuit ». De plus, l’impédance des bobines d’un haut-parleur typique est différente, se situant entre 8 et 16Ω. Les applications courantes où les haut-parleurs sont généralement utilisés comme microphones incluent les interphones et les talkies-walkies.

Le Haut-parleur Comme Transducteur Sonore de Sortie

Le son peut également être utilisé comme un dispositif de sortie pour produire un bruit d’alerte ou agir comme une alarme, et les haut-parleurs, les buzzers, les klaxons et les sonnettes sont tous des types de transducteurs sonores pouvant être utilisés à cette fin, le type de dispositif d’activation sonore audible le plus couramment utilisé étant le « haut-parleur ».

Transducteur Haut-parleur

Les haut-parleurs sont des transducteurs sonores audio classés comme des « actionneurs sonores » et sont l’exact opposé des microphones. Leur rôle est de convertir des signaux analogiques électriques complexes en ondes sonores, le plus fidèlement possible par rapport au signal d’entrée d’origine.

Les haut-parleurs sont disponibles dans toutes les formes, tailles et plages de fréquence, les types les plus courants étant à bobine mobile, électrostatiques, isodynamiques et piézoélectriques. Les haut-parleurs de type bobine mobile sont de loin les haut-parleurs les plus couramment utilisés dans les circuits électroniques, les kits et les jouets, et c’est donc ce type de transducteur sonore que nous examinerons ci-dessous.

Le principe de fonctionnement du haut-parleur à bobine mobile est l’exact opposé de celui du « microphone dynamique » que nous avons étudié ci-dessus. Une bobine de fil fin, appelée « bobine de parole ou de voix », est suspendue dans un champ magnétique très fort et est attachée à un cône en papier ou en Mylar, appelé « diaphragme », qui est lui-même suspendu sur ses bords à un cadre ou châssis en métal. Contrairement au microphone qui est un dispositif d’entrée sensible à la pression, ce type de transducteur sonore peut être classé comme un dispositif de sortie générant une pression.

Haut-parleur à Bobine Mobile

Lorsque qu’un signal analogique passe à travers la bobine de voix du haut-parleur, un champ électromagnétique est produit dont la force est déterminée par le courant circulant à travers la bobine de « voix », qui à son tour est déterminée par le réglage de contrôle de volume de l’amplificateur ou du pilote à bobine mobile. La force électromagnétique produite par ce champ s’oppose au champ magnétique permanent principal qui l’entoure et tente de pousser la bobine dans une direction ou dans l’autre, selon l’interaction entre les pôles nord et sud.

Comme la bobine de voix est fixée de manière permanente au cône/diaphragme, celui-ci bouge également en tandem, et son mouvement provoque une perturbation de l’air environnant, produisant ainsi un son ou une note. Si le signal d’entrée est une onde sinusoïdale continue, alors le cône se déplacera d’avant en arrière, agissant comme un piston, poussant et tirant l’air pendant son mouvement, et un ton unique continu sera entendu, représentant la fréquence du signal. La force et donc la vitesse à laquelle le cône se déplace et pousse l’air environnant produisent le volume du son.

Comme la bobine de voix est essentiellement une bobine de fil, elle possède, comme un inducteur, une valeur d’impédance. Cette valeur pour la plupart des haut-parleurs se situe entre 4 et 16Ω et est appelée « valeur d’impédance nominale » du haut-parleur mesurée à 0 Hz ou en DC.

N’oubliez pas qu’il est important de toujours faire correspondre l’impédance de sortie de l’amplificateur à l’impédance nominale du haut-parleur pour obtenir un transfert d’énergie maximal entre l’amplificateur et le haut-parleur. La plupart des combinaisons amplificateur-haut-parleur ont un rendement aussi bas que 1 ou 2 %.

Bien que cela soit contesté par certains, le choix d’un bon câble pour haut-parleur est également un facteur important dans l’efficacité du haut-parleur, car les caractéristiques de capacité interne et de flux magnétique du câble changent avec la fréquence du signal, entraînant ainsi des distorsions de fréquence et de phase, ce qui a pour effet d’atténuer le signal. De plus, avec des amplificateurs à forte puissance, de grands courants circulent à travers ces câbles, de sorte que des câbles fins de type fil de cloche peuvent surchauffer pendant de longues périodes d’utilisation, réduisant encore l’efficacité.

L’oreille humaine peut généralement entendre des sons allant de 20 Hz à 20 kHz, et la réponse en fréquence des haut-parleurs modernes, appelés haut-parleurs à usage général, est adaptée pour fonctionner dans cette plage de fréquences, ainsi que des écouteurs, des oreillettes et d’autres types de casques commercialement disponibles utilisés comme transducteurs sonores.

Cependant, pour les systèmes audio de haute performance de type High Fidelity (Hi-Fi), la réponse en fréquence du son est divisée en différentes sous-fréquences plus petites, améliorant ainsi l’efficacité des haut-parleurs et la qualité sonore globale comme suit :

Plages de Fréquence Générales

Dans les enceintes multi-haut-parleurs qui ont un Woofer, un Tweeter et des haut-parleurs de Moyenne Gamme logés ensemble dans une seule enceinte, un réseau de « crossover » passif ou actif est utilisé pour s’assurer que le signal audio est correctement divisé et reproduit par tous les différents sous-haut-parleurs.

Ce réseau de crossover est constitué de Résistances, Inducteurs, Condensateurs, de filtres passifs de type RLC ou de filtres actifs à amplificateur opérationnel dont le point de fréquence de crossover ou de coupure est finement réglé selon les caractéristiques individuelles des haut-parleurs, et un exemple d’un design de type « Hi-fi » multi-haut-parleurs est donné ci-dessous.

Design Multispeakers (Hi-Fi)

Dans ce tutoriel, nous avons examiné différents transducteurs sonores qui peuvent être utilisés pour détecter et générer des ondes sonores. Les microphones et les haut-parleurs sont les transducteurs sonores les plus couramment disponibles, mais il existe également de nombreux autres types de transducteurs sonores qui utilisent des dispositifs piézoélectriques pour détecter des fréquences très élevées, des hydrophones conçus pour être utilisés sous l’eau pour détecter des sons sous-marins et des transducteurs sonar qui transmettent et reçoivent des ondes sonores pour détecter des sous-marins et des navires.