Les Microphones, 2ème partie : Type de capteur et directivités

Voici la suite de notre voyage au pays merveilleux des microphones.

Nous allons développer aujourd’hui une des caractéristiques des micros parmi les plus importantes : la directivité.
Selon nos conditions d’enregistrement, la directivité jouera un grand rôle dans le résultat sonore final. Il faudra donc, lors du choix de notre micro, y porter une attention particulière.

Tous d’abord, voyons les 2 types de capteurs utilisés dans la conception des micros (aussi bien électrodynamiques qu’électrostatiques)

 

Le capteur à pression

Le capteur à pression est constitué d’une membrane et d’une cavité fermée : Une seule des faces de la membrane reçoit les vibrations sonores.

Capteur à pression

La cavité est percée d’une évent afin d’équilibrer la pression atmosphérique des deux côtés de la membrane. Ainsi, la force appliquée par la pression atmosphérique s’annule et la membrane est libre de se déplacer selon les vibrations acoustiques seules.

En théorie, un capteur de ce type reçoit les ondes sonores de la même manière, peu importe leur angle d’incidence par rapport à l’axe de la membrane. Il a une sensibilité égale dans toutes les directions autour de lui. On dit que c’est un capteur à directivité omnidirectionnelle. On peut représenter la directivité sur un diagramme polaire, où le centre serait la membrane et où la courbe serait la sensibilité selon l’angle d’incidence. Pour un capteur omnidirectionnel, cette courbe est un cercle parfait dans un espace à 2 dimensions :

Directivité omnidirectionelle

 

Rapporté dans l’espace à 3 dimensions, le capteur à pression a une directivité sphérique.
En pratique, la sensibilité d’un capteur à pression est dépendante de la taille de la membrane, de la fréquence de l’onde incidente et de son angle d’incidence :

  • Lorsque la longueur de l’onde est grande par rapport aux dimensions de la membrane (c’est à dire pour les basses fréquences), celle-ci ne représente pas d’obstacle et ne perturbe pas la propagation de l’onde. Pour une distance à la source constante, la pression à la surface de la membrane reste la même, quel que soit l’angle d’incidence du son. Dans ce cas, le capteur est bien omnidirectionnel. On estime que c’est le cas pour des fréquences allant jusqu’à 1KHz environ.
  • Lorsque la longueur de l’onde est de l’ordre de la taille de la membrane, ou inférieure (fréquences moyennes et élevées), alors celle-ci représente un obstacle et perturbe la propagation de l’onde. Deux facteurs d’interférence apparaissent alors, ce qui va resserrer la directivité :
    • Un phénomène de réflexion et de diffraction va apparaître lorsque les ondes de longueur courte ou moyenne vont frapper la membrane. Si les ondes arrivent dans l’axe de la membrane, elle vont être réfléchies par celle-ci et vont repartir sur le même trajet en sens inverse, formant ainsi une onde stationnaire et donc une surpression sonore dans l’axe du micro (jusqu’à +6dB).

      L'onde réfléchie (onde 2) s’additionne à l'onde incidente (onde 1) et forme une onde résultante d'amplitude double.

      Cette particularité est exploitée par les constructeurs qui s’arrangent pour que cette bosse fréquentielle créée par la réflexion soit placée dans un endroit le plus adapté à l’utilisation qu’on veut faire du micro. Exemple : Si la surpression apparait pour des fréquences entre 4 et 6 KHz, cela résultera en un gain de clarté et d’intelligibilité sur l’enregistrement de voix par exemple.

    • Pour les hautes fréquences, les ondes arrivant avec un angle important par rapport à l’axe du micro vont frapper la membrane en différents endroits avec un petit décalage temporel, et donc une phase différente. On a alors des annulations d’ondes aléatoires ce qui résulte en une perte de niveau en sortie du microphone. Plus l’angle est important, plus le phénomène s’aggrave.
      On a donc un resserrement de la directivité d’autant plus important que la fréquence est élevée et que l’angle d’incidence est grand.

En résumé, les capteurs omnidirectionnels le sont surtout pour les fréquences inférieures à 1kHz environ. Jusqu’à 10KHz ils sont un peu plus directifs, et au dessus de 10KHz, ils sont très directifs.

 

Le capteur à gradient de pression

Dans ce cas, la membrane est à l’air libre (il n’y a plus de cavité isolante), les vibrations sonores atteignent donc les deux côtés de la membrane. Le signal résultant est donc la différence (gradient) entre les signaux arrivant au même moment sur chaque face de la membrane.

Capteur à gradient de pression

La directivité d’un tel système est facilement déductible lorsqu’on étudie des cas précis :

  • Si la source est située perpendiculairement  à l’axe du micro (à 90° ou  270°), le signal arrive en même temps (en phase) sur les deux faces de la membrane et donc, s’annule. En effet la membrane subit des forces de même intensité mais opposées, elle reste donc immobile.
  • Si la source est située dans l’axe du micro (à 0° ou 180°) alors l’onde sonore arrive alternativement sur les deux faces de la membrane (hors phase) et donc la différence de pression entre les deux faces de la membrane est maximale. C’est donc sur cet axe que la sensibilité du micro est la plus forte.

La force résultante diminue à mesure que la source s’éloigne de l’axe du micro jusqu’à s’annuler lorsqu’elle est dans l’axe perpendiculaire à celui du micro. On a donc une directivité symétrique de chaque côté de la membrane, et on l’appelle directivité bidirectionnelle (ou directivité en 8).

Directivité bidirectionnelle

 

On a donc deux directivités de base théoriques : Omnidirectionnelle et Bidirectionnelle
A partir de ces deux directivités, il est possible de créer des directivités intermédiaires qui seront adaptées à des utilisations spécifiques.
Nous allons détailler maintenant les différentes manières des les générer.

 

CRÉATION DES DIRECTIVITÉS INTERMÉDIAIRES

Théoriquement en additionnant ces directivités et en leur appliquant un coefficient, on peut obtenir les directivités alternatives suivantes :

  • La directivité cardioïde (en forme de coeur) : 0,5×Omni + 0,5×Bidir

    Directivité Cardioïde

    C’est certainement la directivité la plus utilisée en prise de son musicale. En effet elle rejette tout ce qu’il y a à l’arrière du micro, et elle a un bon taux de réjection à 90° et à 270° (On voit sur le diagramme ci-dessus que pour une sensibilité de 1 dans l’axe du micro (0°), on a une sensibilité de seulement 0,5 sur les côtés et de 0 à l’arrière).

  • La directivité supercardioïde: 0,4×Omni + 0,6×Bidir

    Directivité Supercardio

  • La directivité hypercardioïde: 0,3×Omni + 0,7×Bidir

    Directivité Hypercardio

    Pour les deux directivités ci-dessus, on a une plus forte sensibilité vers l’avant (0°) qu’un cardioïde mais on récupère le lobe arrière du bidirectionnel. Ces micros sont souvent utilisés dans des environnements bruyants afin d’isoler un maximum la source, notamment en sonorisation de concerts.

  • La directivité hypocardio ou cardioïde large: 0,7×Omni + 0,3×Bidir

    Directivité Hypocardio

    Assez proche de l’omnidirectionnel, on réduit néanmoins la sensibilité vers l’arrière du micro.

 

Afin d’associer les deux directivités de base (Omni et Bidir) il est théoriquement possible d’associer 2 capteurs, l’un à pression, l’autre à gradient de pression, placés au même endroit dans le même micro. Mais en réalité cette technique est compliquée à mettre en œuvre et coûte cher. Voilà pourquoi les constructeurs ont développé d’autres méthodes plus efficaces :

  • Les méthodes acoustiques :
    Première méthode : En utilisant un capteur à gradient de pression, il est possible de retarder l’onde arrivant sur la face arrière de la membrane en faisant passer le son dans un labyrinthe plus ou moins long. Ainsi on maitrise la phase des deux signaux et on recréé différentes directivités. Sur ce genre de micros la longueur du labyrinthe est fixée par le constructeur dans la majorité des cas, on n’a donc qu’une directivité disponible.
    Deuxième méthode : On prolonge le micro d’un tube à interférences dans l’axe de la membrane. Ce tube et percé de fentes sur les côtés et contient un matériau d’absorption phonique qui atténue les ondes stationnaires. De cette manière, les ondes arrivant sur le côté du micro rentrent dans le tube et s’annulent puisqu’elles ont la même force et des directions opposées. Plus les ondes arrivent perpendiculairement au micro/tube, plus elles sont annulées. On appelle ce genre de micro un micro canon. C’est le micro le plus directif vers l’avant et bien qu’il ait des petits lobs à gauche et à droite, il reste le micro qui rejette le plus les sons arrivant de côté. Il est souvent utilisé au cinéma pour l’enregistrement de dialogues à distance. Cela dit, c’est un micro difficile à utiliser car il faut arriver à « viser » la source précisément, sous peine de détimbrage du son (perte dans les aigües) voire de perte de niveau sonore.
  • La méthode électrique :
    Celle-ci s’applique uniquement sur les micros électrostatiques équipés d’une double membrane (Dans ces micros, les deux membranes sont séparées par une cloison perforée fixe qui constitue elle-même une électrode du condensateur). Les deux membranes peuvent alors être polarisées de manière différente, ce qui permet de recréer toutes les directivités possibles. On contrôle la polarisation grâce à un petit switch placé sur le corps du micro.

    • Lorsque les deux membranes sont polarisées identiquement : la directivité est omnidirectionnelle .
    • Lorsque les deux membranes ont une polarité de même potentiel mais de signe opposé : la directivité est bidirectionnelle.
    • Lorsqu’une des membranes est au même potentiel que l’électrode fixe, elle n’est plus active : La directivité est cardioïde.

    Cette méthode coute assez cher à mettre en œuvre, c’est pourquoi elle n’équipe que les micros haut de gamme.

Remarque importante :
Toutes les directivités évoquées ci-dessus sont des modèles théoriques qui ne sont réalisables que dans des lieux totalement anéchoïques (sans réflexion ni réverbération), ce qui n’est quasiment jamais le cas en réalité. Par exemple, une source placée à l’arrière du microphone va émettre des ondes qui seront réfléchies par les obstacles (murs) placés devant le micro. Le micro captera donc ces ondes comme venant de l’avant.
Les directivités fonctionnent quand même, mais de manière inégale devant l’acoustique du lieu d’enregistrement.

 

Il est intéressant de savoir à quelle distance théorique de la source on pourrait placer un micro de chaque directivité par rapport à un micro omnidirectionnel.
Si le micro omnidirectionnel est placé à 1m :

  • Un micro cardioïde ou bidirectionnel pourra être placé à 1,70m et donnera la même sensation de proximité à la source.
  • Un micro super-cardio pourra être placé à 1,9m.
  • Un micro hyper-cardio pourra être placé à 2m.
  • Un micro canon pourra être placé jusqu’à 2,50m.

 

Etude de la directivité d’un micro, le Sennheiser e945 :

Sennheiser nous vend ce micro dynamique spécialement conçu pour la voix sur scène comme un micro de directivité supercardio. Jetons un œil au diagramme polaire pour voir ce qu’il en est réellement.

 

Diagrame polaire de directivité du e945

On remarque que la directivité varie effectivement beaucoup en fonction de la fréquence.
A 125 Hz la directivité est plus hypocardio que supercardio.
Plus on monte en fréquence, plus la directivité se resserre sur l’avant du microphone.
Ce micro est réellement supercardio pour les fréquences comprises entre 500Hz et 2000Hz environ.
Au dessus de 2000Hz, on tend plutôt vers une directivité hypercardio.

Attention donc, la directivité d’un micro est clairement variable selon le lieu d’enregistrement et selon la source à enregistrer.

 

Voilà, maintenant que nous avons les outils théoriques sur la technologie du microphone, nous allons pouvoir, dans un futur article, nous intéresser à l’utilisation sur le terrain des microphones : Quel micro pour quel instrument, quel placement, quel traitement ?

A bientôt !

Notions fondamentales – 2ème partie : Bande passante, Phase, Enveloppe, Dynamique, Courbe de réponse.

Bonjour à tous !

Dans cet article nous allons voir quelques notions indispensables avant d’aller plus loin dans les techniques d’enregistrement.

La Bande Passante

La bande passante est la bande de fréquences comprise entre deux fréquences extrêmes. Par exemple, l’oreille a une bande passante comprise entre 20Hz et 20000Hz (Plus on vieilli, plus la bande passante se réduit, surtout dans les aigus).
On parle de bande passante également pour tous les appareils audios, qui se doivent d’en avoir une au moins aussi large que celle de l’oreille humaine. Il n’est pas inutile pour un appareil d’avoir une bande passante beaucoup plus large que 20-20000Hz car cela améliorera le rendu des transitoires. On appelle transitoire d’attaque la durée d’établissement de la vibration, et elle est très importante dans notre perception et dans la restitution des sons. Nous verrons ça dans un futur article sur la numérisation des sons.

La Phase

La phase (en degrés) est relative aux signaux périodiques. Elle indique le décalage temporel de l’onde sonore par rapport à l’origine.
Ex : pour les fonctions sinusoïdales basiques sinus et cosinus :

La fonction sinus a une phase a l’origine de .

 

 

 

La fonction cosinus a une phase à l’origine de 90°.

 

 

 

 

Un cycle entier faisant 360°

La phase est un concept très important car elle peut apporter beaucoup de problèmes lors du traitement du signal sonore. Lorsque qu’on mélange deux signaux provenant de la même source mais qui ne sont pas parfaitement en phase, cela occasionne des annulations, ou du moins des pertes de niveau sur certaines fréquences (surtout dans les graves et bas-médiums).
De manière générale on aura un filtrage en peigne qui rendra le son moins riche et ample.

Ce problème peut se présenter par exemple lors de la prise de son d’une source avec deux micros, placés à des distances différentes.
Voici un exemple concret sur une caisse claire.

Micros en phase :     

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Micros hors phase :     

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On entend bien que lorsque les micros sont hors phase, le son est moins précis et sonne plus « carton ». Il est donc indispensable de faire attention à la phase au moment de la prise de son et au mixage.

L’Enveloppe du son

Lorsqu’on parle d' »enveloppe » d’un son, on s’intéresse en fait à l’évolution de son niveau (ou amplitude) dans le temps. On peut découper cette enveloppe en 4 parties :

  • L’attaque : Ce sont les premières millisecondes, la montée en niveau.
  • Le decay : C’est la rechute du niveau après l’attaque.
  • Le sustain : C’est le maintien du son.
  • Le release : C’est l’extinction finale du son.

 

Lorsqu’on utilisera un compresseur il sera important de comprendre sur quelle partie du signal on voudra travailler. (Voudra-t-on réduire l’attaque, ou au contraire laisser l’attaque telle quelle et compresser la fin du son ?)
C’est donc une notion importante à garder en tête.

La dynamique

La dynamique (mesurée en dB) d’un signal est l’écart entre son niveau le plus faible et son niveau le plus fort.
Lors du mixage, on peut traiter cette dynamique avec des outils comme le compresseur (qui réduit la dynamique) ou l’expandeur (qui augmente la dynamique).

La courbe de réponse

C’est un graphique qui donne le niveau sonore en fonction de la fréquence.
La courbe de réponse d’un appareil audio est sensée être linéaire sur toute la bande passante de l’oreille. Cette règle n’est cependant quasiment jamais respectée en ce qui concerne les microphones et les haut-parleurs. Ils ont des courbes de réponse plus ou moins accidentées. Cela fait partie de leurs caractéristiques et on en tire d’ailleurs parti car naturellement certains micros vont être plus efficaces que d’autres sur certaines sources. Cela permet d’avoir des couleurs différentes à la prise de son, et également à la restitution.

Ex : Courbe de réponse du micro SM57

On remarque une bosse de présence entre 3000 Hz et 10000 Hz, ce qui explique ses excellents résultats sur une caisse claire par exemple, lui donnant plus d’attaque et de clarté. La courbe est à peu près linéaire entre 200 Hz et 2000 Hz. En dessous de 200 Hz, le niveau chute progressivement.

Pour les enceintes, on compense le manque de linéarité des haut-parleurs en en utilisant plusieurs de caractéristiques différentes pour chaque enceinte et en les corrigeant électroniquement.

Bientôt la suite : nous nous pencherons sur les liaisons analogiques et numérique, sur les différents niveaux et la manière de les mesurer ainsi qu’à la notion d’impédance.

Ciao !