LEÇON N°6
L E C O U R S
ApprApprendrendree
onique lectronique ll’é’électr tant de zéérroo en partant de z en par
Haut-parleurs
Le haut-parleur est un composant élec- tromécanique, utilisé pour transformer les tensions alternatives, comprises entre 20 000 et 20 000 Hz en vibra- tions acoustiques qui, en se répandant dans l’air, seront ensuite captées par nos oreilles. Ces tensions alternatives pourront être prélevées à la sortie d’un amplificateur ou d’un radiorécepteur par exemple.
Comme vous pouvez le remarquer en obser vant la coupe de la figure 174, un haut-parleur est composé d’une membrane en forme d’entonnoir, au centre et à l’arrière de laquelle est mon- tée une bobine composée d’un certain nombre de spires.
Cette bobine est libre de bouger à l’in- térieur d’un noyau magnétisé. Lors-
Pour transformer les vibrations sonores de tous les signaux basse fréquence compris entre 20 Hz et 20 000 Hz et permettre ainsi à notre système auditif de les entendre, il est nécessaire d’utiliser des composants spécifiques appelés haut-parleurs ou casques.
L’enroulement d’excitation, appelé bobine mobile, présent à l’intérieur des haut-parleurs, a une valeur d’impédance généralement de 8 ou de 4 ohms, tandis que celui présent dans les casques a une valeur d’impédance qui peut être égale, toujours généralement à 32, 300 ou 600 ohms.
Il existe dans le commerce des haut-parleurs universels, capables de reproduire avec une bonne fidélité, la gamme entière des fréquences audio allant de 20 Hz jusqu’à 20 000 Hz. Il existe également des haut-parleurs construits exclusivement pour la hi-fi, tous capables de reproduire une gamme limitée de fréquences, c’est-à-dire, seulement les fréquences des notes Basses, Moyennes ou Aiguës.
Pour que ces haut-parleurs hi-fi reçoivent la seule gamme de fré- quences qu’ils sont capables de reproduire, ils doivent être reliés à l’amplificateur à travers des filtres appelés cross-over. Ceux-ci sont composés d’inductances et de capacités calculées en fonction de la valeur de l’impédance de la bobine mobile qui, comme nous l’avons dit, peut être de 8 ou 4 ohms. Vous trouverez dans cette leçon toutes les formules pour calculer les filtres cross-over ainsi que quelques exemples de calcul pour des filtres à deux ou trois voies.
La fonction opposée à celle des haut-parleurs, c’est-à-dire celle qui permet de transformer toutes les vibrations sonores en tension élec- trique, s’opère grâce à un autre composant appelé microphone.
qu’elle est polarisée par une tension de polarité identique à celle de l’aimant, par exemple Nord-Nord, la membrane est repoussée vers l’extérieur. Au contraire, si elle reçoit une polarisation
opposée, par exemple Nord-Sud, la membrane est attirée vers l’intérieur.
Sachant qu’un signal basse fréquence est composé de demi-onde positives
100 Hz
ONDE SONORE 100 Hz
300 Hz
ONDE SONORE 300 Hz
Figure 174 : Une bobine mobile est placée dans un aimant au centre et à l’arrière du cône d’un haut-parleur. En appliquant une tension alternative à cette bobine, on obtient une oscillation du cône de même fréquence.
Figure 175 : Si on applique à cette bobine une tension alternative de 100 Hz ou de 300 Hz, la membrane du haut-parleur vibrera à la même fréquence, en produisant une onde sonore qui se répandra dans l’air.
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et de demi-onde négatives, lorsque la bobine reçoit ce signal, la membrane commence à osciller avec la même fré- quence que la tension qui l’a excitée et produit une onde sonore.
Contrairement à ce que l’on pourrait croire, le mouvement d’oscillation de la membrane ne provoque aucun dépla- cement d’air, comme le feraient les hélices d’un ventilateur, mais il génère une compression et une décompres- sion des molécules d’air qui, en vibrant, provoquent un son (voir figure 175).
En effet, comme chacun sait, le com- biné du téléphone appuyé sur l’oreille n’émet aucun déplacement d’air mais seulement des vibrations qui excitent les molécules d’air, perçues comme un son par notre oreille.
Pour constater le déplacement de la membrane d’un haut-parleur lorsqu’on applique une tension aux pôles de la bobine, reliez une pile de 4,5 volts aux deux broches présentes sur la face arrière du haut-parleur.
Si vous reliez cette pile aux broches du haut-parleur en respectant sa polarité (voir figure 176), la membrane se dépla- cera vers l’extérieur. Si vous invertis- sez la polarité de la pile (voir figure 177), vous pourrez remarquer que la mem- brane se déplace vers l’intérieur.
Plus le diamètre du haut-parleur est important, plus l’oscillation de sa mem- brane est grande.
On trouve dans le commerce beaucoup de types de haut-parleurs, avec des cônes ronds ou elliptiques et de diffé- rents diamètres.
Les haut-parleurs de petit diamètre, capables de débiter des puissances comprises entre 1 et 2 watts, sont généralement utilisés dans les radios portables car leur bobine mobile n’ac- cepte pas de signaux supérieurs à envi- ron 3 volts.
Les haut-parleurs de dimensions légè- rement plus grandes, utilisés dans les téléviseurs, les radios normales ou les magnétophones, sont capables de débi- ter des puissances comprises entre 5 et 10 watts et leur bobine mobile accepte des signaux ayant une ampli- tude maximale d’environ 8 volts.
et pouvant atteindre 10 000 ou 12 000 Hz maximum. Ces haut-parleurs réussissant à reproduire, avec une bonne fidélité, toutes les fréquences (basses, médiums et aiguës), sont généralement utilisés pour les récep- teurs, les téléviseurs, les magnéto- phones, etc.
Les haut-parleurs utilisés avec les amplificateurs hi-fi débitent des puis- sances allant jusqu’à 50 ou 80 watts et leur bobine mobile accepte des signaux ayant une amplitude maximale de 25 volts.
Les haut-parleurs utilisés avec les amplificateurs pour discothèque et orchestre, sont capables de débiter des puissances comprises entre 500 et 1 000 watts et leur bobine mobile accepte des signaux ayant une ampli- tude maximale pouvant atteindre les 90 volts.
Selon leurs dimensions et leurs puis- sances, les haut-parleurs sont réper- toriés en quatre catégories :
Universels - On appelle ainsi tous les haut-parleurs capables de reproduire une large gamme de fréquences acous- tiques allant de 70 ou 80 Hz minimum
Woofer - On appelle ainsi les haut- parleurs pour vus d’un cône de grandes dimensions et qui peuvent vibrer avec plus de facilité sur les fré- quences des notes les plus basses. En effet, les Woofer reproduisent fidè- lement toutes les fréquences acous- tiques basses, en par tant de 25 ou 30 Hz, jusqu’à un maximum de 2 500 ou 3 000 Hz. Les Woofers ne par ve- nant pas à reproduire les fréquences moyennes et aiguës, sont assemblés sur les enceintes hi-fi avec deux autres types de haut-parleurs appelés médium et tweeter.
Médium - Ce sont des haut-parleurs qui ont un cône de dimensions très infé- rieures à celles du Woofer, c’est pour- quoi ils peuvent vibrer avec plus de faci- lité sur les fréquences acoustiques moyennes, en par tant de 300 ou 500 Hz, jusqu’à atteindre un maximum de 10 000 ou 12 000 Hz.
4,5 V
4,5 V
Figure 176 : Si vous voulez voir comment la membrane d’un haut-parleur se déplace, procurez-vous une pile de 4,5 volts et reliez-la à ses broches. Si vous respectez bien leurs polarités, le cône se déplacera vers l’extérieur.
Figure 177 : Si vous inversez la polarité de la pile, vous remarquerez que la membrane se déplace vers l’intérieur. Si vous appliquez un signal de BF sur la bobine, le cône commencera à vibrer en créant des ondes sonores.
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Figure 178 : A l’intérieur des enceintes acoustiques des amplificateurs hi-fi sont installés deux ou trois haut-parleurs de différents diamètres. Celui dont le diamètre est le plus important est appelé “woofer”. Il est utilisé pour reproduire les notes basses. Celui dont le diamètre est intermédiaire est appelé “médium”. Il est utilisé pour reproduire les notes moyennes, tandis que celui dont le diamètre est le plus petit est appelé “tweeter” et sert à reproduire les notes aiguës.
cet amplificateur, l’étage amplificateur final devra débiter un courant de :
√ 20 : 4 = 2,23 ampères
On peut relier un haut-parleur de 8 ohms à la sor tie d’un amplificateur de 20 watts prévu pour un haut-par- leur de 4 ohms, mais on obtiendra alors une puissance réduite de moi- tié.
Pour vérifier l’exactitude de notre affir- mation, calculons la tension maximale débitée par cet amplificateur de 20 watts avec une charge de 4 ohms, en utilisant la formule suivante :
volt = √ watt x ohm
L’amplificateur débite donc une tension de :
√ 20 x 4 = 8,94 volts
Si nous appliquons cette valeur de ten- sion à un haut-parleur de 8 ohms, nous obtiendrons une puissance que nous pourrons calculer en utilisant la formule suivante :
watt = (volt x volt) : ohm
Tweeter - Ces haut-parleurs ont un cône très rigide et des dimensions très réduites, c’est pourquoi ils peuvent vibrer avec plus de facilité sur les fré- quences aiguës, en partant de 1 500 ou 2 000 Hz, jusqu’à un maximum de 20 000 ou 25 000 Hz.
Toutes les bobines mobiles de ces haut-parleurs ont une impédance carac- téristique de 8 ou 4 ohms, toujours indi- quée sur le corps du haut-parleur.
Si la sortie d’un amplificateur ou d’une radio nécessite un haut-parleur ayant une impédance de 8 ohms, nous ne pourrons pas lui en relier un de 4 ohms car une impédance inférieure à celle
prévue obligerait l’étage amplificateur final à débiter un courant plus impor- tant qui pourrait l’endommager. En effet, pour un amplificateur de 20 watts prévu pour un haut-parleur de 8 ohms, l’étage amplificateur devra débiter un courant facilement calculable grâce à cette formule :
ampère = √ watt : ohm
Nous obtiendrons alors une puissance de seulement :
Ce transistor débitera donc un courant maximal de :
√ 20 : 8 = 1,58 ampère
Si on connecte un haut-parleur d’une impédance de 4 ohms sur la sortie de
(8,94 x 8,94) : 8 = 9,99 watts
On ne peut pas mesurer la valeur d’im- pédance de la bobine d’un haut-parleur avec un multimètre réglé sur la posi- tion “ohm”, car on ne mesurerait que la résistance ohmique du fil utilisé pour
TWEETER
MÉDIUM
FILTRE AIGUS
TWEETER
FILTRE MÉDIUMS
MÉDIUM
WOOFER
FILTRE BASSES
WOOFER
Figure 179 : Si on relie en parallèle et directement trois haut- parleurs, on obtient une valeur d’impédance inférieure à celle de la sortie de l’amplificateur. Dans ces conditions, on risque d’endommager ce dernier et de “griller” le haut-parleur tweeter car il reçoit des fréquences qu’il n’est pas capable de reproduire.
Figure 180 : En reliant, sur les trois haut-parleurs, un filtre cross-over, nous pouvons diriger sur chacun d’entre eux la gamme de fréquence qu’il est capable de reproduire et nous permettrons, en outre, à l’amplificateur de trouver l’impédance exacte de chaque haut-parleur.
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FORMULES pour CROSS OVER à 2 VOIES
L1 (millihenry)
= (79,60 x ohm) : Hz
L2 (millihenry)
= (255 x ohm) : Hz
L3 (millihenry)
= 0,625 x valeur de L2
ENTRÉE
C1 (microfarad)
= 99 500 : (ohm x Hz)
C2 (microfarad)
= 1,6 x valeur de C1
C3 (microfarad)
= 3,2 x valeur de C1
C1
C2
TWEETER
L1
C3
L2
L3
WOOFER
Figure 181 : Schéma électrique d’un filtre cross-over, 2 voies à 18 dB par octave et les formules utilisées pour calculer les valeurs des inductances et des capacités. Vous devrez remplacer “ohm” par l’impédance des haut-parleurs, c’est-à-dire 4 ou 8 ohms et “Hz” par la valeur de la fréquence de séparation qui est égale à 2 000 Hz.
la construction de la bobine et non son impédance.
Pour mesurer la valeur d’une impé- dance, il faut un instrument appelé impédancemètre.
toute la gamme du spectre acoustique avec un filtre appelé cross-over, com- posé d’inductances et de capacités, permettant d’envoyer aux deux ou trois haut-parleurs les fréquences qu’ils sont capables de reproduire uniquement.
Filtres cross-over
Lorsque les trois haut-parleurs, woo- fer, médium et tweeter se trouvent ras- semblés à l’intérieur d’un caisson acoustique (enceinte), on ne peut pas les relier en parallèle comme sur la figure 179, car chacun d’eux recevrait des fréquences qu’ils ne seraient pas capables de reproduire par faitement et, mis à part le fait qu’on obtiendrait des sons distordus, on risquerait de les endommager.
En effet, la membrane du woofer ne réussissant pas à osciller sur les fré- quences moyennes et sur les aiguës, elle nous fournirait des sons de mau- vaise qualité. La membrane du médium ne risquerait rien, si ce n’est de nous fournir un son incomplet dû à son inca- pacité d’osciller sur les basses fré- quences. La membrane du tweeter, de dimensions beaucoup plus réduites, risquerait d’être mise hors service par les fréquences moyennes et les basses.
Pour éviter d’endommager les haut-par- leurs et pour obtenir une reproduction hi-fi fidèle, il est nécessaire de diviser
On peut comparer le filtre cross-over à un dispositif routier ser vant à dévier les camions (les fréquences basses) dans une direction, dans une autre, les voitures (les moyennes fréquences) et dans une autre encore, les deux-roues (les fréquences aiguës).
Pour les basses fréquences, le filtre cross-over est un passe-bas qui sert à dévier vers le haut-parleur woofer toute la bande de fréquences comprises entre 25 et 500 Hz, en bloquant toutes les fréquences supérieures.
Pour les moyennes fréquences, le filtre cross-over est un passe-bande servant à dévier vers le haut-parleur médium toute la bande de fréquences com- prises entre 500 et 4 000 Hz, en blo- quant toutes les fréquences inférieures et supérieures.
Pour les fréquences aiguës, le filtre cross-over est un passe-haut ser vant à dévier vers le haut-parleur tweeter toute la bande des fréquences supé- rieures à 4 000 Hz, en bloquant toutes les fréquences inférieures. On utilise en général le tweeter pour les fré- quences comprises entre 4 000 et 25 000 Hz.
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Dans une enceinte acoustique n’ayant que deux haut-parleurs, c’est-à-dire un woofer et un médium, le filtre cross- over est calculé de façon à envoyer toutes les fréquences comprises entre 25 et 2 000 Hz vers le woofer, et toutes les fréquences supérieures à 2 000 Hz, vers le médium.
Même si on trouve dans le commerce des cross-over prêts à être installés dans une enceinte acoustique, ces filtres peu- vent être facilement réalisés. Il suffit pour cela de se procurer les inductances et les capacités nécessaires.
Nous repor tons sur la figure 181 le schéma d’un filtre à 2 voies et les for- mules permettant de calculer les valeurs des inductances en millihenry et celles des capacités en microfarads.
Exemple : Calculez les valeurs des inductances et des capacités à utiliser pour un filtre cross-over à 2 voies (voir figure 181), en disposant de haut-par- leurs d’une impédance de 8 ohms.
Solution : En utilisant les formules du tableau, on obtiendra :
L1 = (79,60 x 8) : 2 000 = 0,3184 millihenry
L2 = (255 x 8) : 2 000 = 1,02 millihenry
L3 = 0,625 x 1,02 = 0,6375 millihenry
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Signalons toutefois qu’une différence sur la valeur demandée de 3 % en plus ou en moins, ne modifiera en rien les caractéristiques du filtre, et que par conséquent :
- pour L1, on pourra utiliser une impé- dance d’une valeur comprise entre 0,3 et 0,33 millihenry ;
- pour L2, on pourra utiliser une impé- dance d’une valeur comprise entre 0,99 et 1 millihenry ;
- pour L3, on pourra utiliser une impé- dance d’une valeur comprise entre 0,60 et 0,65 millihenry ;
- pour C1, on pourra utiliser une capa- cité d’une valeur comprise entre 5,9 et 6,5 microfarads ;
Figure 183 : Photo d’une enceinte dans laquelle sont installés deux haut- parleurs, un tweeter et un woofer.
Figure 182 : On obtient les inductances à utiliser pour les filtres cross-over en bobinant sur un support en plastique, un certain nombre de spires de fils de cuivre émaillé d’un diamètre suffisant pour qu’elles ne chauffent pas. Plus vous enroulerez de spires sur le support, plus la valeur en millihenry de la bobine augmentera.
C1 = 99 500 : (8 x 2 000) = 6,218 microfarads
C2 = 1,6 x 6,218 = 9,948 microfarads
C3 = 3,2 x 6,218 = 19,897 microfarads
- pour C2, on pourra utiliser une capa- cité comprise entre 9,6 et 10,2 micro- farads ;
- pour C3, on pourra utiliser une capa- cité comprise entre 19,3 et 20,5 micro- farads.
Nous repor tons sur la figure 184, le schéma d’un filtre à 3 voies et les for- mules permettant de calculer les valeurs des inductances en millihenry et celles des capacités en microfarads.
Exemple : Calculez les valeurs des inductances et des capacités à utiliser pour un filtre cross-over à 3 voies (voir
figure 184), en disposant de haut-par- leurs d’une impédance de 8 ohms.
Solution : En utilisant les formules du tableau, on obtiendra :
L1 = (159 x 8) : 4 000 = 0,318 millihenry
L2 = (159 x 8) : 500 = 2,54 millihenrys
L3 = 1,6 x 0,318 = 0,5 millihenry
L4 = 1,6 x 2,54 = 4 millihenrys
FORMULES pour CROSS OVER à 3 VOIES
L1 (millihenry)
= (159 x ohm) : 4 000
L2 (millihenry)
= (159 x ohm) : 500
L3 (millihenry)
= 1,6 x valeur de L1
L4 (millihenry)
= 1,6 x valeur de L2
C1 (microfarad)
= 99 500 : (ohm x 4 000)
C2 (microfarad)
= 99 500 : (ohm x 500)
C3 (microfarad)
= 1,6 x valeur de C1
C4 (microfarad)
= 1,6 x valeur de C2
Figure 184 : Schéma électrique d’un filtre cross-over, 3 voies à 12 dB par octave et les formules utilisées pour calculer les valeurs des inductances et des capacités. Vous devrez remplacer “ohm” par l’impédance des haut-parleurs, c’est-à-dire 4 ou 8 ohms.
ENTRÉE
C1
TWEETER
L1
C2
L3
MEDIUM
L2
C3
L4
WOOFER
C4
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C1 = 99 500 : (8 x 4 000) = 3,10 microfarads ` C2 = 99 500 : (8 x 500) = 24,8 microfarads
C3 = 1,6 x 3,10 = 4,96 microfarads
C4 = 1,6 x 24,8 = 39,68 microfarads
Il nous sera également possible d’uti- liser avec ces composants des induc- tances et des capacités ayant une dif- férence sur la valeur demandée de 3 % en plus ou en moins.
En ce qui concerne les capacités, nous vous conseillons de toujours utiliser des condensateurs polyester car les condensateurs électrolytiques sont non seulement polarisés mais ils ont des tolérances pouvant atteindre 40 %.
Etant donné que vous trouverez diffi- cilement des condensateurs polyester
ayant des valeurs de capacité aussi élevées, vous devrez en relier deux ou plusieurs en parallèle, de façon à obte- nir la valeur demandée (reportez-vous à la leçon numéro 3 pour les groupe- ments de condensateurs).
Pour les inductances, vous devrez uti- liser des bobines entourées de fil de cuivre d’un diamètre d’au moins 1 mm, pour pouvoir laisser passer le courant nécessaire sans surchauffe.
Note : Les inductances à utiliser pour les filtres cross-over sont toujours bobi- nées sur des supports dépourvus de noyau en fer (voir figure 182).
Casques et auriculaires
Les casques ne sont rien d’autre que de minuscules haut-parleurs s’appli- quant sur les oreilles pour écouter de façon individuelle le son d’une radio, d’un magnétophone ou d’un amplifi- cateur sans déranger l’entourage.
La puissance maximale pouvant être appliquée sur un casque s’élève à envi- ron 0,2 watt, c’est pourquoi on ne pourra donc jamais le relier directe- ment à la sortie des amplificateurs de puissance auxquels sont habituelle- ment connectés les haut-parleurs. On trouve sur tous les amplificateurs une prise spécialement conçue pour pou- voir relier n’impor te quel type de casque.
Il existe des casques hi-fi capables de reproduire toute la gamme acoustique, en par tant d’un minimum de 25 ou 30 Hz pour arriver à un maximum de 18 000 ou 20 000 Hz, et d’autres, beaucoup plus économiques, capables de reproduire une gamme acoustique plus réduite, allant normalement de 40 ou 50 Hz pour arriver à un maximum de 10 000 à 12 000 Hz.
On trouve également dans le commerce de minuscules auriculaires piézo-élec- triques et magnétiques, qui s’introdui- sent directement dans l’oreille.
Figure 185 : Les casques sont de minuscules haut-parleurs qui se mettent sur les oreilles pour écouter individuellement de la musique. Les casques ont, généralement, une impédance de 32 ou bien de 600 ohms.
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Figure 186 : Un microphone fait l’inverse de ce que fait un haut-parleur, c’est-à-dire qu’il capte les vibrations acoustiques et les convertit en une tension alternative de fréquence égale à celle des notes acoustiques captées. Etant donné que la valeur de la tension alternative fournie sur la sortie d’un microphone est toujours très faible, il faut nécessairement la préamplifier. La sortie du microphone est toujours reliée à l’entrée du préamplificateur par un câble blindé pour éviter de capter des signaux parasites ou des bruits dus au courant.
Microphones
Les microphones (voir figure 187), sont des composants capables de capter toutes les vibrations sonores produites par un bruit, une voix ou un instrument musical et de les convertir en une ten- sion électrique qui devra ensuite être amplifiée de façon appropriée. En fait, ils font exactement le contraire d’un haut-parleur qui, lui, convertit en vibrations sonores les tensions alter- natives fournies par un amplificateur.
Tous les microphones, comme tous les haut-parleurs, sont pourvus d’une mem- brane qui, frappée par un son, vibre en produisant ainsi une tension alterna- tive de quelques millivolts dont la fré- quence est par faitement identique à celle de la source sonore.
Si on fait vibrer la corde d’une guitare capable d’émettre une note acoustique
sur la fréquence de 440 Hz, cette onde sonore fera vibrer la membrane du microphone sur cette même fréquence et on pourra alors prélever sur sa sor- tie, une tension alternative d’une fré- quence de 440 Hz.
Si on fait vibrer la corde d’un violon capable d’émettre une note acoustique de 2 630 Hz, cette onde sonore fera vibrer la membrane du microphone sur cette même fréquence et on pourra alors prélever sur sa sortie une tension fréquence de alternative d’une 2 630 Hz.
Les microphones le plus souvent utili- sés sont :
- A charbon – Ils sont ainsi appelés car leur membrane repose sur des grains de charbon, conducteurs d’élec- tricité (voir figure 188). Quand la mem- brane commence à vibrer, elle comprime
Figure 188 : Dans les microphones dits à charbon, la membrane, en vibrant, appuie sur les grains de charbon en modifiant ainsi sa propre résistance interne.
Figure 189 : Les microphones dits magnétiques sont de petits haut- parleurs. Leur membrane génère, en vibrant, une faible tension alternative.
Figure 187 : Différents types de microphones employés par les orchestres et par les chanteurs. Les plus utilisés sont ceux de type électromagnétique et piézo- électrique.
Figure 190 : Dans les microphones dits piézo-électriques, la membrane comprime un petit cristal de quartz et cette pression est convertie en tension.
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Figure 191 : Sur cette photo nous vous présentons les minuscules capsules piézo-électriques, équipées d’un étage préamplificateur qui est alimenté à travers leurs broches.
plus ou moins ces grains de charbon, modifiant ainsi sa résistance ohmique et par conséquent, le courant qui passe dans les grains de charbon. Ces micro- phones sont encore aujourd’hui utilisés en téléphonie et dans certains appa- reils militaires.
- Electromagnétiques – Ils sont ainsi appelés car sur leur membrane est entourée une bobine qui bouge au-des- sus d’un aimant, de la même façon que sur un quelconque haut-parleur (voir figure 189). Quand cette membrane commence à vibrer, une faible tension se crée aux bornes de la bobine qu’il faut ensuite amplifier de façon appro- priée. Même un simple haut-parleur peut être utilisé comme un microphone. En effet, si on parle devant son cône de papier, celui-ci vibrera et on pourra alors prélever sur ses bornes, une ten- sion alternative de quelques millivolts.
- Piézo-électriques – Ils sont ainsi appelés car leur membrane s’appuie sur un cristal piézo-électrique (voir
figure 190). Lorsque la membrane com- mence à vibrer, elle comprime plus ou moins ce cristal et, grâce au phéno- mène de la piézo-électricité, on obtient à sa sortie une tension alternative de plusieurs millivolts. Un microphone piézo-électrique fonctionne de la même façon que le pick-up d’un tourne-disque. Dans ces pick-up, le cristal piézo-élec- trique est compressé et décompressé mécaniquement par l’aiguille qui défile sur les sillons du disque.
Fréquences acoustiques et notes musicales
Tous les êtres humains perçoivent le son émis par la voix d’un chanteur, par un instrument musical ou bien par un haut-parleur grâce à l’oreille, mais, vous êtes vous déjà demandé comment ces sons se répandent dans l’air ?
Si vous observez un haut-parleur pen- dant l’émission d’un son, vous verrez
que son cône vibre très vite sans pro- voquer aucun mouvement d’air.
Cette vibration fait à son tour vibrer automatiquement les molécules d’air provoquant ainsi des ondes sonores qui, en atteignant notre oreille, font vibrer la petite membrane placée à l’in- térieur.
Le nerf acoustique relié à cette mem- brane les transforme en impulsions électriques et les envoie au cerveau. On peut donc comparer notre oreille à un microphone qui transforme tous les sons qu’il réussit à capter en une ten- sion électrique.
Pour essayer d’expliquer comment sont générées ces ondes sonores, qui bien qu’elles se répandent dans l’air, ne créent aucun courant électrique, nous pouvons comparer ce phénomène à celui du caillou que l’on jette dans un étang.
On voit se former des vaguelettes concentriques à l’endroit où tombe le caillou (voir figure 192). Ces vague- lettes se propagent vers l’extérieur à une certaine vitesse, sans provoquer de courants.
En ef fet, si on pose un bouchon de liège sur la sur face de l’étang, on le verra seulement se soulever et s’abais- ser, mais pas se déplacer du centre vers l’extérieur.
Si les vibrations émises par le cône d’un haut-parleur sont comprises entre 16 et 100 Hz (de 16 à 100 oscillations par seconde), on entendra un son d’une tonalité très basse ; si au contraire elles sont comprises entre 5 000 et 10 000 Hz (de 5 000 à 10 000
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NOTE
FRANCE DO DO# RÉ RÉ# MI FA FA# SOL SOL# LA LA# SI
USA C C# D D# E F F# G G# A A# B
Fonda- mentale 32,69 34,62 36,68 38,84 41,20 43,64 46,21 48,98 51,87 55,00 58,24 61,73
1re octave 65,38 69,24 73,36 77,68 82,40 87,28 92,42 97,96 103,74 110,00 116,48 123,46
2e octave 130,76 138,48 146,72 155,36 164,80 174,56 184,84 97,96 207,48 220,00 232,96 246,92
3e octave 261,52 276,92 293,44 310,72 329,60 349,12 369,68 391,84 414,96 440,00 465,92 493,84
4e octave 523,04 553,84 586,88 621,44 659,20 698,24 739,36 783,68 829,92 880,00 931,84 987,68
5e octave
7e octave
8e 6e octave octave 8 368,64 1 046,08 2 092,16 4 184,32 8 861,44 1 107,68 2 215,36 4 430,72 9 390,08 2 347,52 4 695,04 1173,76 1 242,88 2 485,76 4 971,52 9 943,04 1 318,40 2 636,80 5 273,60 10 547,20 1 396,48 2 792,96 5 585,92 11 171,84 1 478,72 2 957,44 5 914,88 11 829,76 1 567,36 3 134,72 6 269,44 12 538,88 1 659,84 3 319,68 6 639,36 13 278,72 1 760,00 3 520,00 7 040,00 14 080,00 1 863,68 3 727,36 7 454,72 14 909,44 1 975,36 3 950,72 7 901,44 15 802,88
Tableau 15 : Nous reportons sur ce tableau toutes les fréquences fondamentales des notes musicales et leurs octaves supérieures. Comme vous pouvez le remarquer, chaque octave supérieure a une fréquence double par rapport à l’octave inférieure. Si on prend la fréquence fondamentale de la note “LA”, qui est de 55 Hz, on remarquera que pour chaque octave, sa fréquence double : 110 - 220 - 440 - 880 Hz, etc.
oscillations par seconde), on entendra un son d’une tonalité très aiguë.
Si on frappe deux barres métalliques dont la longueur est différente, elles vibreront en produisant des sons dif- férents car proportionnels à leur lon- gueur.
Si on prend deux barres métalliques dont la longueur est identique et qu’on les place l’une à côté de l’autre, le son généré par le fait d’en faire vibrer une fera aussitôt vibrer l’autre car, cette seconde barre étant de même longueur que la première, résonnera.
Ce phénomène est utilisé pour accorder sur la même fréquence les cordes de deux guitares différentes, de deux pia- nos ou de deux harpes, etc. Pour accor- der les instruments musicaux, on utilise un morceau de fer en forme de U appelé diapason et qui émet, lorsqu’il vibre, une “fréquence échantillon” de 440 Hz correspondant à la note “LA” de la troi- sième octave (voir le tableau 15).
Si on place un second diapason, accordé sur la même fréquence, près de celui qui est déjà en vibration, il com- mencera à vibrer lui aussi, excité par les ondes sonores générées par le pre- mier (voir figure 193).
La vitesse à laquelle les ondes acous- tiques se propagent dans l’air est de 340 mètres par seconde, par consé- quent, beaucoup plus lente que la
vitesse de la lumière qui atteint 300 000 kilomètres par seconde !
Cette dif férence de vitesse se remarque facilement lors des tempêtes. En effet, nous voyons immédiatement la lumière de l’éclair de la foudre, mais le son du tonnerre ne parvient à notre oreille qu’après plusieurs secondes.
La vitesse à laquelle se propage le son dépend du conducteur, comme vous pouvez le remarquer :
air eau terre acier
340 mètres par seconde 1 480 mètres par seconde 3 000 mètres par seconde 5 050 mètres par seconde
Pour calculer, en mètres, la longueur d’onde d’un son qui se répand dans l’air à une température de 20 degrés
Figure 192 : Pour comprendre comment une onde sonore se forme, essayez de jeter un caillou dans un étang. Vous verrez se former des cercles (ondes) concentriques qui se propageront du centre vers l’extérieur, sans créer de courants mais seulement des ondulations. En effet, si l’on pose sur l’étang un bouchon de liège, on le verra seulement descendre et remonter, sans jamais se déplacer vraiment. Les ondes sonores font osciller les molécules d’air sans remuer l’air, au contraire des hélices d’un ventilateur qui génèrent du vent mais pas de son.
Figure 193 : En faisant vibrer un diapason avec un petit marteau, il émettra des ondes sonores qui parviendront à faire vibrer un autre diapason, pourvu qu’il soit proche et accordé sur la même fréquence.
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centigrade, on peut utiliser cette for- mule :
mètres = 340 : hertz
Un son bas ayant une fréquence de 100 Hz a une longueur d’onde dans l’air égale à :
Un son aigu ayant une fréquence de 6 000 Hz, a une longueur d’onde dans l’air égale à :
340 : 6 000 = 0,0566 mètre, c’est-à-dire 5,66 centimètres.
340 : 100 = 3,4 mètres
L’oreille humaine réussit à percevoir une large gamme de fréquences
acoustiques qui partent normalement d’un minimum de 20 Hz pour arriver à un maximum de 17 000, voire 20 000 Hz.
Cette limite maximum dépend beau- coup de l’âge. Une personne très jeune réussit à entendre toute la gamme jus- qu’à 20 000 Hz, et même au-delà.
fondamentale
1re octave
2e octave
3e octave
4e octave
5e octave
6e octave
s n o i s s u c r e P
s r e i v a l C
s e r v i u C
s i o B
s e d r o C
s e n i a m u h s e i o V
Cymbales
Xylophone
Tambour
Timbale
Piano Orgue
Trompette
Octavin
Trombone
Tuba
Saxophone
Contrebasson
Flûte
Hautbois
Clarinette
Violoncelle Contrebasse
Violon
Soprano
Mezzo-soprano
Alto
Ténor
Baryton
Basse
Voie féminine
Voie masculine
0 5 , 7 2
6 8 , 0 3
9 6 , 2 3
8 6 , 6 3
0 2 , 1 4
4 6 , 3 4
8 9 , 8 4
0 0 , 5 5
3 7 , 1 6
8 3 , 5 6
6 3 , 3 7
0 4 , 2 8
8 2 , 7 8
6 9 , 7 9
0 0 , 0 1 1
6 4 , 3 2 1
6 7 , 0 3 1
2 7 , 6 4 1
0 8 , 4 6 1
6 5 , 4 7 1
2 9 , 5 9 1
0 0 , 0 2 2
2 9 , 6 4 2
2 5 , 1 6 2
4 4 , 3 9 2
0 6 , 9 2 3
2 1 , 9 4 3
4 8 , 1 9 3
0 0 , 0 4 4
4 8 , 3 9 4
4 0 , 3 2 5
8 8 , 6 8 5
0 2 , 9 5 6
4 2 , 8 9 6
8 6 , 3 8 7
0 0 , 0 8 8
8 6 , 7 8 9
8 0 , 6 4 0
6 7 , 3 7 1
0 4 , 8 1 3
8 4 , 6 9 3
6 3 , 7 6 5
0 0 , 0 6 7
Publicité
6 3 , 5 7 9
6 1 , 2 9 0
2 5 , 7 4 3
0 8 , 6 3 6
6 9 , 2 9 7
2 7 , 4 3 1
0 0 , 0 2 5
2 7 , 0 5 9
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
A L
I
S
O D
I
E M R
A F
L O S
A A L L
I I
S S
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I
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A F
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I
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A F
L O S
A L
I
S
Figure 194 : Nous avons reporté sur ce tableau, toutes les fréquences minimales et maximales pouvant être générées par les différents instruments musicaux et les voix humaines. Dans la fréquence fondamentale sont incluses les fréquences des notes basses et, dans la 6e octave, les fréquences des notes des aiguës.
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Vous trouverez, dans le tableau de la figure 194, les fréquences minimales et maximales divisées par octaves pou- vant être générées par les différents instruments musicaux et les voix humaines.
Ultrasons
On appelle ultrasons tous les sons ayant une fréquence supérieure à celle pouvant normalement être perçue par l’être humain, c’est-à-dire tous les sons supérieurs à environ 25 000 Hz.
Beaucoup d’animaux réussissent à entendre ces fréquences que nous n’entendons pas.
A titre d’exemple, les chats perçoivent des fréquences allant jusqu’à environ 40 000 her tz, les chiens jusqu’à 80 000 hertz et les chauves-souris jus- qu’à environ 120 000 hertz.
Signalons, sans pour autant rentrer dans les détails, que l’on trouve dans le commerce des capsules émettrices et réceptrices capables d’émettre et de capter ces fréquences ultraso- niques.
Etant donné que ces fréquences ultra- soniques ont quasiment les mêmes propriétés que celles des rayons lumi- neux, elles peuvent être concentrées dans des faisceaux bien définis. Si elles rencontrent un obstacle, elles sont immédiatement réfléchies, comme cela arrive à n’importe quel rayon lumineux rencontrant un miroir.
C’est pour cette caractéristique qu’elles sont utilisées dans des anti- vols et des échosondeurs qui, comme vous le savez cer tainement, ser vent en navigation pour mesurer les pro- fondeurs marines et pour localiser les obstacles, comme par exemple des rochers, des sous-marins ennemis ainsi que pour repérer des bancs de poissons. L’échosondeur envoie une impulsion d’ultrasons dans une direc- tion précise et, pour connaître la dis- tance d’un obstacle, on évalue le temps mis par cette impulsion pour revenir à sa source.
Il est facile d’évaluer la distance de l’obstacle, sachant que la vitesse de transmission des ultrasons dans l’eau est d’environ 1 480 mètres par seconde.
Les ultrasons sont également utilisés dans le domaine industriel pour contrô- ler les matériaux métalliques afin de
Après 30 ans, une personne ne peut plus percevoir les fréquences supé- rieures à 15 000 ou 16 000 Hz, et après 40 ans, elle ne réussit plus à percevoir toutes les fréquences supé- rieures à 10 000 ou 12 000 Hz.
Dans les pays de langue latine, et donc par conséquent en France, on appelle les 7 notes musicales :
DO - RÉ - MI - FA - SOL - LA - SI
Dans le tableau 15, nous avons reporté la fréquence fondamentale de chaque note et, dans les colonnes qui suivent, les octaves supérieures. Comme vous pouvez le remarquer, la fréquence de chaque octave supé- rieure correspond à un redoublement de la fréquence de l’octave inférieure, et donc, il suffit pour la connaître de multiplier la fréquence fondamentale par :
2 - 4 - 8 - 16 - 32 - 64 - 128 - 256
Par exemple, la fréquence fondamen- tale de la note “LA” est de 55 Hz, la fréquence du “LA” de la 1re octave est de 55 x 2 = 110 Hz, la fréquence du “LA” de la 2e octave est de 55 x 4 = 220 Hz, la fréquence du “LA” de la 3e octave, également appelée “octave cen- trale”, est de 55 x 8 = 440 Hz et ainsi de suite.
La fréquence de DO# - RÉ# - FA# - SOL# - LA# a une valeur intermédiaire entre la note inférieure et la note supérieure.
Note : le symbole graphique # s’appelle “dièse”.
CHIEN
80 000 Hz
CHAT
40 000 Hz
HOMME
20 000 Hz
10 000 Hz
1 000 Hz
20 Hz
S N O S A R T U
I
S E L B D U A S N O S
Figure 195 : Tous les sons de fréquence supérieure à 20 000 Hz, qui ne sont pas audibles par un être humain, rentrent dans la gamme des fréquences “ultrasoniques”. Les ultrasons sont utilisés dans le domaine médical des échographies ainsi que pour soigner des rhumatismes, sciatiques, etc.
effectuer
pour
repérer d’éventuels défauts internes et pour émulsionner des liquides, des crèmes et des vernis. Ils sont égale- ment utilisés dans le domaine médical pour les échographies ou pour les thé- rapies ultrasoniques. En fait, les ultra- sons génèrent de la chaleur en tr