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Arnault DERIEUX
Max BLANQUET
Cyril ROCHER
Aymeric MARTIN
1S4
2013-2014
TPE 2013-2014

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I) Introduction :
Notion : Avancées scientifiques et réalisations techniques.
Thème : Le microphone et son inverse, le haut parleur.
Ayant choisi les avancés scientifiques et réalisations techniques, nous
avons pris comme thème d'étude principal les microphones et en sous catégorie
leurs inverse, les hauts parleurs. Nous nous intéresserons à leur fonctionnement
et à l’heure histoire ainsi que leur utilisation dans la vie de tous les jours.
a) Problématique :
« En quoi les microphones et les haut-parleurs sont-ils
« opposé » et comment cette opposition de fonctionnement permet de
créer un son ou d’en enregistrer un ? »
b) Définition d’opposé (dans ce cas) :
Les microphones et les haut-parleurs se ressemblent dans le
principe, tout deux permettent soit de créer du son soit d’en enregistrer
un. Ils ont tout les deux une entrée et une sortie.
c) Déroulement du dossier et des séances :
Nous avons tout d’abord voulu définir précisément les microphones et les
haut-parleurs. Comment ils ont été créés, à quoi ils servent ? Puis nous avons
cherché leur histoire, leur création, leur évolution. Ensuite, nous avons étudié
plusieurs sorte de microphone tout en comprenant de mieux en mieux le
fonctionnement des microphones et des haut-parleurs par le biais de deux
expériences (voir dossier). Ensuite nous avons cherchés à quoi les microphones
été employé, pourquoi il en existé de plusieurs sorte (diagramme polaire,
directivité des microphones, voir dossier) ; Pour finir, nous avons répondu en
concluant le dossier.
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Sommaire :
I) Introduction
a) Problématique
b) Définition
c) Déroulement du dossier et des séances
II) Histoire
a) Le son
b) Le microphone
c) Le haut parleur
III) Création d’un signal électrique par le principe d’induction
a) Définition
b) Expérience sur l’induction
IV) Fonctionnement des microphones
1) Le microphone en général
a) Le microphone dynamique à bobine mobile
b) Le microphone électrostatique
c) Le microphone à ruban
d) Le microphone à charbon
e) Le microphone à électret
2) La loi de Lenz-Faraday
3) Préférence d’utilisation d’un microphone
a) La directivité
b) Le diagramme polaire d’un microphone
V) Fonctionnement d’un haut parleur
a) Expérience de Laplace
VI) Conclusion du dossier
a) Réponse à la problématique
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II) Histoire
Nous allons vous présenter l’histoire et la définition de quelques notions utiles au
dossier.
a) Le son :
C’est une onde créé à partir d’un mécanisme physique, un choc pour
exemple, qui créer une suite de variation de pression par le mouvement infime
des particules de la matière Le son se propage dans l’atmosphère terrestre
(l’air), et ne peut se propager dans le vide. La science qui étudie le son s’appelle
l’acoustique.
b) Le microphone :
Un microphone est un outil permettant de transformer des signaux
acoustiques en signaux électriques. Le premier microphone fut créé en 1878 par
un ingénieur américain, David Edward Hughes, qui était en réalité un
transmetteur
(dispositif
de
transmission
sonore)
électroacoustique
(l'électroacoustique étant un procédé qui permette d'enregistré, de traité et de
reproduire les sons). Quelques inventions avant cette date peuvent être
considérées comme des ébauches du microphone. Il est l'inverse du haut parleur.
Le microphone sert de nos jour pour enregistrer toutes sorte de sons en qualité
(musique, discours, concerts...).
c) Le haut parleur :
Créé le 10 décembre 1877, par Werner Von Siemens, le haut parleur
permet de créé des ondes sonores à partir d'un signal électrique. C’est un
transducteur électromagnétique (un transducteur est un dispositif permettant
de transformer un signal physique en un autre) qui transcrit un signal électrique
en onde acoustique. Il est l'inverse du microphone. Il est aussi bien créé en
petite taille (écouteurs,...) et en grande taille pour de grande puissance de sons
avec des amplificateurs (enceintes géantes pour les concerts,...). De nos jours, le
haut parleur électrodynamique représente environ 99% du marché mondial.
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5. 5
III) Création d’un signal électrique par le
principe d’induction.
a) Induction électromagnétique :
L’induction électromagnétique est un procédé physique permettant de
produire une différence de courant dans un conducteur soumis à un champ
magnétique ce qui peut engendrer un courant électrique.
b) Expérience :
Matériels :
-Un oscilloscope
-une bobine de cuivre carré attaché à un ressort
-des fils conducteurs (électriques)
-un aimant.
Déroulement :
Raccord entre l’oscilloscope et la bobine de cuivre. Puis mise en mouvement
de la bobine verticalement plus ou moins rapidement pour créer un signal sur
l’oscilloscope montrant la création d’un signal électrique.
Résultat :
Mouvement verticale rapide de l’oscilloscope lors d’une mise en mouvement
rapide de la bobine et mouvement verticale lent de l’oscilloscope lors d’une mise
en mouvement de la bobine lentement. (Voir photos expérience 1 annexe)
Conclusion :
D’après les résultats, la mise en mouvement d’une bobine de cuivre
verticalement, un aimant au milieu de cette dernière, créer un signal électrique
positif ou négatif en fonction de la vitesse à laquelle la bobine de cuivre se
déplace.
Le signal est positif lorsque la bobine ‘’remonte’’ et le signal est négatif
lorsque la bobine descend. La vitesse à laquelle la bobine bouge créer un signal
plus ou moins fort, exemple, un mouvement rapide créera un signal négatif fort
puis un signal électrique positif fort et à l’inverse lorsque la bobine de cuivre se
déplace lentement.
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Photo 1
Photo 2
Référence
Photo 3
Sur la photographie numéro 1, l’intensité du courant est normale. Sur la
photographie numéro deux, le mouvement perpendiculaire de la bobine de cuivre
vers l’aimant nous montre un changement d’intensité (-). Sur la photographie
numéro 3, le mouvement perpendiculaire de la bobine de cuivre sur l’aimant vers
le haut créé aussi un changement d’intensité (+).
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IV) Fonctionnement du Microphone
1) Microphone en général:
En général, des ondes sonores viennent faire bouger une membrane très
sensible qui retranscris son mouvement à un aimant qui, grâce au principe de
l'induction, fait réagir la bobine de cuivre qui créé un courant alternatif.
Ils y a plusieurs sortent de microphone que nous détaillerons au fil de cette
étude.
a) Le microphone dynamique à bobine mobile :
Schéma du fonctionnement d'un microphone à bobine mobile
Dans les microphones électromagnétiques à bobine mobile, une bobine est
collée à la membrane qui la fait donc vibrer dans le champ magnétique d'un
aimant. Le mouvement crée une force électromagnétique formant le signal
électrique du son reçus. Ces microphones sont dit dynamiques car la pression de
l'énergie sonore sur la membrane donne directement un courant électrique
utilisable.
Contrairement aux
d'alimentations.
microphones
électrostatiques
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ils
n'ont
pas
besoin

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b) Le microphone électrostatique :
Schéma du fonctionnement d'un microphone électrostatique
Dans les microphones électrostatiques la membrane est à coté d'une
armature (une armature étant un solide servant de squelette) arrière qui lorsque
elle vibre le touche et laisse passer le courant arrivant par l'alimentation, ce
contacte donne un signal électrique plus ou moins fort qui suite à une traduction
donne le son enregistrer. La sensibilité des microphones électrostatiques est
supérieure à celles des dynamiques.
c) Le microphone à ruban :
Dans les microphones à ruban, la membrane qui vibre est un fin ruban
métallique mis dans le champ magnétique d’un aimant permanent (aimant
contenant des atomes de terre rare, des lanthanides), il fait donc à la fois office
de membrane vibrante mais aussi de bobine électrique. Ce ruban est
fréquemment fabriquer en aluminium plissé (en accordéon), le ruban est placé
dans l’entrefer d’un aimant, c'est-à-dire entre la borne positive et négative, la
tension créé est récolté aux extrémités du ruban. Il fonctionne avec le principe
de l’induction magnétique due à la loi de Lenz (voir définition), donc à peu prés
comme un microphone dynamique a bobine mobile mais il est plus léger. Il ne
nécessite pas d’alimentation et il est nettement plus fragile. Ce micro a était
développer dans les années 30.
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d) Le microphone à charbon :
C’est un des premiers microphones. Il s’agit de faire varier une résistance.
Une membrane conductrice est placée sur un récipient contenant des granules.
On fait passer un courant entre la membrane et le récipient. Le charbon est
conducteur et laisse passer le courant. Lorsque la membrane se déplace, les
grains de charbon sont plus ou moins comprimés et font varier la conductivité
globale du charbon. Si on alimente avec une intensité constant on fait varier la
tension et vice-versa.
La distorsion est très élevée et la sensibilité faible.
Ces microphones on longtemps été utilisé dans les téléphones. Aujourd’hui ce
sont des objets de collection.
e) le microphone à électret :
Un microphone à électret reprend le fonctionnement
d’un microphone électrostatique mais possède trois
différences majeures :
-
La membrane ne se trouve pas entre deux grille
polarisée mais seulement au contact d’une seule.
la tension de polarisation est bien plus faible pour
le microphone (5-12V)
-
il n’y a pas d’air entre les grilles mais un polymère
ayant subi un traitement chimique le remplace
Microphone à électret
Ce genre de microphone possède sa propre alimentation par le biais d’une pile
électrique.
Définitions :
Grille polarisé : Grille sur laquelle on a appliqué une tension de polarisation
Tension de polarisation : Fait de fixer à quelque chose, ici une grille, un courant
ou une tension
Polymère : Substance composé de macromolécules
Macromolécule : considérée comme une très grande molécule qui est donc censé
posséder une masse moléculaire relativement élevé.
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2) Fonctionnement du courant électrique dans le microphone et
déplacement de l’aimant grâce à la loi de Lenz-Faraday.
Lorsqu’on approche un aimant d’une bobine connectée sur un ampèremètre, on
détecte un courant électrique dans la bobine.
Le sens de ce courant dépend de la façon dont on déplace l’aimant et de
l’orientation des pôles magnétiques.
- Quand on approche l’aimant de la bobine, les deux pôles magnétiques nord l’un
en face de l’autre, la bobine créer un champ magnétique semblable à celui de
l’aimant afin de le repousser. L’intensité du courant de la bobine est alors
positive.
- Quand l’aimant s’éloigne de la bobine, les pôles magnétiques Nord et Sud l’un en
face de l’autre, cette dernière créer un champ magnétique opposé à celui de
l’aimant qui cette fois l’attire. L’intensité du courant de la bobine est alors
négative.
Le phénomène est d’autant plus important que le mouvement de l’aimant
est rapide. Il est d’autant plus important que l’aimant est présenté axialement
devant la bobine (il est imperceptible si on approche l’aimant
perpendiculairement à l’axe de la bobine).
En fonction du type de courant, de son intensité, il est donc possible de coder et
d’enregistrer le son.
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3) Préférence d’utilisation d’un microphone.
Pour choisir un microphone, il faut d’abord savoir à quoi il est destiné. En
fonction du type de microphone et de leurs fabrications, certain d’entre eux
capte dans une zone plus ou moins grande et de forme différente. Pour un
enregistrement de dialogue, il est préférable d’utilisé un microphone dit
« canon ». Pour un enregistrement d’une ambiance sonore, un microphone à
enregistrement omnidirectionnel est conseillé.
a) Le diagramme polaire d’un microphone.
Le diagramme polaire représente la sensibilité et donc la meilleure qualité de
l’enregistrement d’un microphone en fonction de la direction de la provenance du
son enregistré. La zone est représentée sur un cercle de 360 degrés montrant
qu’elle est la meilleure provenance du son pour le meilleur enregistrement.
b) La directivité :
La directivité d’un microphone permet de savoir dans quelle zone autour du
microphone il enregistre le mieux le son, dans quelle zone il est le plus
sensible.
Il
y
a
deux
directivité
majeur,
de
base :
la
dirictivité
Omnidirectionnel et la directivité Bidirectionnel.
Directivité
Omnidirectionnel
Bidirectionnel
Utilisation/description
La directivité
omnidirectionnel est la
zone d’enregistrement
la plus large. C’est le
seul microphone qui ne
privilège aucun son.
La directivité
Bidirectionnel est la
directivité qui permet
au mieux d’optimiser les
problèmes acoustiques
dû à certain instrument,
comme la batterie.
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Diagramme Polaire

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A partir des deux directivités principal,
l’omnidirectionnel et la
bidirectionnel, on peut créer d’autre directivité permettant de meilleur prise de
son en fonction de l’utilisation.
Directivité
Cardioïde
Hypercardioïde
Canon
Utilisation/description
La
directivité
cardioïde
est
la
meilleure
zone
d’enregistrement pour
les instruments/chant
(plus sensible aux sons
venant en face du
microphone). Son nom
vient de sa forme.
Souvent utilisé lors de
conférence ou dans
tout autre événement
où
les
orateurs
s’approchent peu des
microphones, il est
semblable au Cardioïde
mais possède une zone
avant plus étroite et
une
petite
zone
arrière.
Ayant une zone avant
fortement accentué, il
est beaucoup utilisé
lors d’enregistrement
de dialogue et de prise
de son au cinéma. Il
est
difficile
d’utilisation à cause de
la précision qu’il faut.
Diagramme Polaire
Création
0,5×Omni +
0,5×Bidir
0.3xOmni +
0.7xBidir
X
Il existe d’autre sorte de directivité, comme le Super-cardioïde, cardioïde
large, etc…
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V) Fonctionnement d’un haut parleur :
Un signal électrique (courant alternatif) vient parcourir une bobine de cuivre
dans laquelle se trouve un aimant qui par le principe d’induction bouge et
transmet son mouvement à une membrane qui retranscrit le mouvement en ondes
sonores.
a) Expérience : Rail de Laplace.
-
Grâce à un aimant en forme de U entouré de deux barres parallèles
conductrices qui créer un circuit électrique par le biais d’une barre
conductrice posé sur les deux autres barres, on peut en fonction du sens
du courant ou de l’orientation
de l’aimant (nord-sud, sudnord), voir la barre mobile
avancer
ou
reculer,
matérialisant le fonctionnement
d’un haut parleur (sachant que
ce dernier change le sens du
courant et non le sens de
l’aimant
pour
des
soucis
d’ergonomie).
Matériel :
-
Générateur 6 volt, fils électriques, rail de la place.
-
Raccorder le générateur au rail de la place, mettre la barre mobile dans le
champ magnétique créé par l’aimant puis faire passer du courant dans un
sens puis dans l’autre comme pour l’aimant.
Déroulement :
Observations :
(voir
Quand le courant est positif et l’aimant orienté sud-nord, la
se déplace vers l’avant.
Quand le courant est négatif et l’aimant orienté sud-nord, la
se déplace vers l’arrière.
Quand le courant est positif et l’aimant orienté nord-sud, la
se déplace vers l’arrière.
Quand le courant est négatif et l’aimant orienté nord-sud, la
se déplace vers l’avant.
photos expérience 2 annexe)
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barre mobile
barre mobile
barre mobile
barre mobile

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Conclusion : En fonction de l’orientation de l’aimant et le sens du courant, la
barre mobile se déplace dans un sens ou dans l’autre.
Photo 1
Photo 2
Photo 3
Photo 4
Sur la photographie numéro 1, le courant est dans le sens normale, ce qui,
une fois la connexion faite, fait bouger la barre dans un certain sens,
photographie numéro deux.
Sur la photographie numéro 2, le courant est dans le sens inverse, ce qui
une fois la connexion faite, fait bouger la barre dans l’autre sens, photographie
numéro 4.
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VI) Conclusion du dossier
a) Réponse à la problématique
Rappel de la problématique :
« En quoi les microphones et les haut-parleurs sont-ils
« opposé » et comment cette opposition de fonctionnement permet de
créer un son ou d’en enregistrer un ? »
Réponse :
Les microphones et les haut-parleurs sont opposés et complémentaire par
nature. L’un enregistre le son, l’autre en créé. Le microphone sert donc à
enregistrer un son et le haut-parleur à en créer.
-
-
D’après notre dossier, un microphone fonctionne donc par le principe
d’induction. Le son fait bouger une membrane ultra sensible qui retranscris
le mouvement à un aimant dans une bobine de cuivre qui, par le principe
d’induction donc, créé un courant positif ou négatif et d’une intensité
différente en fonction des décibels du son enregistré qui est lu par un
programme et le retranscris en donnée informatique, voir la loi de Lenz.
La qualité du son enregistré dépend de la sensibilité du microphone dans la
zone où le son ‘arrive’, représenté par son diagramme polaire. Il existe une
multitude de microphone plus ou moins sensible dans telle ou telle zone.
D’après notre dossier, un haut-parleur fonctionne lui aussi grâce au
principe d’induction. Un courant codant le son voulu (intensité, sens),
envoyé grâce à un programme informatique vint parcourir une bobine de
cuivre dans laquelle se trouve un aimant. En fonction de l’intensité et du
sens du courant, grâce au codage, dans la bobine (voir la loi de Lenz),
l’aimant bouge plus ou moins vite verticalement et vient retranscrire son
mouvement à une membrane sensible qui crée le son voulu.
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