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CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
Master 2e année - Acoustique
Perception et prise de son
Sabine Meunier
Mail : [email protected] - Tel : 04 91 16 41 75
Philippe Herzog
Mail : [email protected] - Tel : 04 91 16 40 89
Jacques Chatron
Mail : [email protected] - Tel : 04 91 16 41 74
Perception et prise de son 2009 - 1
Master 2e année - Acoustique
Perception et prise de son
C1 : Physiologie de l’audition
C2 : Propriétés des microphones de mesure
C3 : Perception du niveau (sonie/masquage)
C4 : Perception de la hauteur et de l’espace
C5 : Principes de prise de son
C6 : Perception et mesure physique
Perception et prise de son 2009 - 2
Mesure : le poids de l’histoire
Problèmes d’échanges :
- Rome antique : 24 scrupules ≡ 1 once
- Once romaine ≡ 1
12livre
- Once de Paris ≡ 1
16livre
Contrôle de la monnaie :
- Fabrication de "dénéraux" = poids monétaires
- Comparaison des masses par "trébuchets"
Commerce ⇒ "deniers sonnants et trébuchants"
Perception et prise de son 2009 - 3
Cohérence des unités
Moyen-âge :
Pas de lien entre mesures de volume, longueur, etc
Fraudes lors des transactions commerciales
Préjudice au développement des sciences
Evolutions successives :
1795 : plus de sept cents unités de mesure
⇒ "système métrique décimal" (18 germinal an III)
1799 : premiers étalons du mètre et du kilogramme (1 l. d’eau)
1837 : adoption exclusive du système métrique décimal
1875 : Bureau international des poids et mesures (B.I.P.M.)
1960 : Système international d’unités (m, kg, s, A, K, mol, cd)
1969 : CODATA : Committee on Data for Science and Technology
Unités de base du SI ⇔ constantes fondamentales et atomiques
Perception et prise de son 2009 - 4
Affinage des unités
Moyen-âge :
Longueurs mesurées en référence à l’humain
⇒ pouce, pied, main, toise, yard, cubit, ...
Humain "de référence" = Roi (ou seigneur local !)
Evolutions successives :
→ XVIIIe : toise = 6 pieds du roi
1668 : Mesure "universelle" = 38 pouces de Prusse (993,7 mm)
1675 : Metro cattolico = longueur d’un pendule / 2s (993,9 mm)
1791 : Mètre = dix millionième partie du quart du méridien terrestre.
1960 : Mètre = 1 650 763,73 λ (raie de l’atome krypton 86)
1983 : Mètre = distance lumière en 1/299 792 458 s
Convergence des unités commerciales et scientifiques
Perception et prise de son 2009 - 5
Etalons de mesure
Unité de mesure ⇔ étalons stables et partagés
Evolution → étalons "dématérialisés"
Perception et prise de son 2009 - 6
Science de la mesure
Métrologie :
Science des mesurages et ses applications
Tous les aspects théoriques et pratiques
Toute incertitude de mesure / application
Mesurage :
Processus expérimental ⇒ valeur ≈ grandeur
Comparaison de grandeurs (y.c. comptage)
Description de la grandeur compatible avec l’usage prévu
Procédure de mesure rigoureuse, pré-établie
Système de mesure étalonné (traçabilité)
Déroulement + conditions de mesure
Mesure ⇒ Valeur + Unité + Incertitude + Probabilité
Perception et prise de son 2009 - 7
Traçabilité de la mesure
Gestion de qualité (ISO 9000) :
Certification des matériels (étalonnage)
Certification des personnels (accréditation)
Procédures hiérarchiques (raccordement)
Raccordement aux étalons :
Références primaires internationales (CIPM)
Références secondaires (pour étalonnages)
...
Etalons "de référence"
Etalons "de travail"
Instrumentation de production
Comparaisons successives ⇒ incertitude croissante
Perception et prise de son 2009 - 8
Approches de la mesure
Métrologie légale :
Normes nationales / internationales (harmonisation)
Protocoles pré-établis, simples et éprouvés
Comités de normalisation "pragmatiques"
⇒ Valeurs comparables entre elles
Métrologie scientifique :
Initiatives de chercheurs / laboratoires
Protocoles évolutifs (outils, connaissances)
Validation partielle (dans un contexte)
Soumise à "l’évaluation par les pairs"
⇒ Estimations performantes mais incertaines
Lien via les laboratoires lié à la CIPM !
Perception et prise de son 2009 - 9
Mesures en Acoustique
χs∂tp+−→∇ · −→v = 0
ρ0∂t−→v +
−→∇p = 0
ρ, T, ... inobservables
Paramètres d’influence :
Composition de l’air (humidité)
Pression ambiante (masse volumique)
Température (célérité) - très influente !
Problèmes pratiques :
Gaz ⇒ pas de confinement "naturel"
Nombreuses sources acoustiques "parasite"
Conditions aux limites très influentes
Distance d’influence élevées (cf λ)
Séparation ⇒ Installations lourdes et contrôle d’environnement
Perception et prise de son 2009 - 10
Mesures en Acoustique (2)
Ordre de grandeurs audibles :
Pression Vitesse Déplacement
à 20 Hz à 1 kHz à 20 kHz
20 Pa 50 mm/s 0,4 mm 8 µm 0,4µm
20 mPa 50 µm/s 0,4 µm 8 nm 0,4nm
20 µPa 50 nm/s 0,4 nm [8 pm] [0,4pm]
Forces très faibles (air très compressible)
Déplacements à l’échelle moléculaire !
Puissances mises en jeu infinitésimales
Observation "directe" ssi forts niveaux (LDV,PIV)
Perception et prise de son 2009 - 11
Membrane d’un capteur acoustique
Intermédiaire mécanique :
Surface importante ⇒ amplification
Souple (peu tendue) pour augmenter la sensibilité
Lien avec transduction électro-mécanique
Pénalisation des performances :
Diffraction croissante avec la taille
Résonance(s) propre(s) ⇒ filtrage
Amplitude limitée : compromis dynamique
Deux faces :
Sensible à l’écart de pression AV/AR (−→∇p)
Charge arrière pour élargir la directivité
Compromis entre différentes performances
Perception et prise de son 2009 - 12
Choix du principe de transduction
Principalement trois technologies "en lice" (réciproques)
Réponse en fréquence :
Quasi-statique ⇒ bande < fr
Piézoélectrique difficile à amortir (raideur)
Magnéto-XXX ⇒ bande autour de fr
Niveaux sonores :
Magnéto-XXX capable d’une grande gamme dynamique
Piézoélectrique ⇒ niveaux élevés
Electrostatique ⇒ niveau élevé et bruit de fond
Sensibilité :
Piézoélectrique ⇒ très sensible
Magnéto-XXX sensible (souple) mais Ze basse
Electrostatique ⇒ compromis "sensibilité/résonance"
Perception et prise de son 2009 - 13
Microphone de mesure
Précision de la réponse :
Electrostatique ⇒ réponse très régulière
Piézoélectrique ⇒ résonance peu amortie
Stabilité des caractéristiques :
Piézoélectrique "purement solide" (plaque+céramique)
Electrostatique fragile, limité en température
Volume équivalent (cf étalonnage) :
Piézoélectrique très raide
Electrostatique modélisable
Sensibilités parasites :
Electrostatique peu influençable (γ,−→E , ...)
Piézoélectrique sensible aux vibrations
Mesures de précision ⇒ technologie électrostatique
Perception et prise de son 2009 - 14
Transduction électrostatique
+ + + + ++ + +
- - - - - - - -
d0
x
E
0
i
U
Condensateur :
- électrode en translation ( !)
- Capacité C = Sε0/d0
-−→E supposé uniforme
Polarisation :
- Charge Q0 constante (electret = "piégées")
- Energie potentielle Ep = Q0 U0/2
Attraction statique :
- Force F0 =C0 U2
0
2d0
- Déflection de la membrane ⇒ limite mécanique
Perception et prise de son 2009 - 15
Transduction électrostatique (2)
Petites variations d = d0 + x ou Q = Q0 + q :
Effet "direct" :
- Circuit ouvert : Q = C te
- Variation de tension avec le déplacement
- U = Q0
C0
(1− xd0
)
Effet "inverse" :
- Electrode fixe : d = C te
- Variation de force avec la charge
- F ≈Q2
0
2C0d0
(1 + 2qQ0
)
Mécanisme non-linéaire (quadratique) ⇒ dynamique limitée
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Matrice de couplage
f
v
=
0 +E0
jω
− jωE0
0
u
i
Couplage "réciproque" :
- Description limitée au couplage électro-mécanique
- Coefficient E0 = Q0
C0d0
[V/m] en moyenne sur S
- Transducteur indifféremment source ou capteur
- Essentiel pour permettre l’étalonnage primaire
Comportement du transducteur dépendant de ses charges (aco+elec)
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Schéma de principe
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xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
+1 -2
fL fH
QHdB
log(f)
Limites de réponse :
- Egalisation (tube capillaire) ⇒ fL
- Tension membrane (réglage) ⇒ fH
- Entrefer + perforations électrode ⇒ QH
Caractéristiques interdépendantes : réglage réponse ⇒ mesure sensibilité
Perception et prise de son 2009 - 18
Réalisation pratique
Grille de protection (participe à la réponse, cf insertion / source étalon)
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Conditionnement
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
1
Suiveur de tension : A / 1
- Impédance d’entrée "gigantesque" (& 10GΩ)
- Impédance de sortie très faible (. 50Ω)
- Anneau de garde : réduction des capacités parasites
Très grande amplification de la puissance du signal (+ bruit)
Perception et prise de son 2009 - 20
Effet de Charge
Types de microphones ⇔ réglage de membrane selon angles d’incidence
Perception et prise de son 2009 - 21
Etalonnage initial
Comparaison de trois paires (trois micros) :
- Couplage acoustique par cavité close, ou "champ libre"
- Mesure transferts "courant→ tension" (tension insérée)
- Estimation de 3 produits Si Sj ⇒ Si
Etalon implicite : charge acoustique de couplage (modèle physique, réalisation)
Perception et prise de son 2009 - 22
Comparaison à "l’étalon de référence"
Etalonnage difficile à réaliser en interne :
- Protocole long et complexe, équipement coûteux
- Différences de géométrie, etc : nombreux coupleurs
- Lourdeur de la certification (longue expérience)
Sous-traitance à un partenaire accrédité (rotation des "étalons de travail")
Perception et prise de son 2009 - 23
Comparaison à "l’étalon de travail"
Comparaison de caractéristiques :
- Volume "isobare" (étanchéité critique)
- Vérification systématique d’un parc
- Etalonnage pour mesures comparatives
- Sondes à deux micros, antennes
Gamme de fréquences réduite, incertitude absolue élevée
Perception et prise de son 2009 - 24
Vérification périodique des microphones
Gestion d’un parc de microphones :
- Vérification de l’état mécanique
- Vérification de la sensibilité (250 Hz)
- Vérification de la réponse en fréquence
- Vérification du bruit de fond
Perception et prise de son 2009 - 25
Vérification des microphones "in situ"
Validation d’une série de mesures :
- Vérification préalable
- Vérification finale
- Estimation sensibilité (1kHz)
Ne correspond pas à un étalonnage (garder les données "usine")
Perception et prise de son 2009 - 26
Mise en oeuvre pratique
Isoler un phénomène :
- Environnement "anéchoïque"
- Fixations "antivibratiles"
- Contrôle d’environnement
- Connaissance positions relatives
Mise au point itérative ⇒ thésauriser un savoir-faire
Perception et prise de son 2009 - 27
Où est le "centre acoustique" ?
Invalide (en toute rigueur) le concept de capteur "ponctuel" !
Perception et prise de son 2009 - 28
Sonde intensimétrique
Approximation par différences finies :
- Pression au centre ≈ moyenne
- Vitesse au centre ∝ différence
- Produit = intensité "locale" (cf λ)
- Compromis / écartement (fréquence + type de champ)
Etalonnage très critique (microphones individuels + en relatif)
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Microphones CCLD
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxx
xxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxx
K
+V
0
(coax)
Câblage extrêmement simplifié :
+ Signal beaucoup plus puissant (cf longueurs)
+ TEDS : "fiche d’étalonnage" électronique
- Pas normalisé (ICP R©, IEPE R©, CCLD, etc)
- Performances dégradées aux B.F. et en transitoires
- Câblage traditionnellement "asymétrique" (PB masses)
Pratique, mais encore évolutif ⇒ incompatibilités
Perception et prise de son 2009 - 30
Autres microphones
Compromis adaptés à des usages spécifiques - étalonnage ? ? ?
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