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Technique - Transconducteurs
Les transconducteurs : HP et microphones


Eléments jugés accessoires et secondaires, le microphone ou le haut-parleur n'ont pas souvent la faveur des gros titres... Et pourtant, ils sont diablement importants.

Le haut-parleur

Et oui, nous en avons besoin de cet engin... Placé en bout de la chaîne de réception, c'est souvent la dernière des préoccupations du radioamateur et pourtant ce transconducteur peut transformer un bon récepteur en casserole infernale à écouter. Malheureusement l'inverse n'est pas vrai et un excellent HP, placé dans les conditions optimum ne transformera pas (hélas) un récepteur mal conçu en produit de haute qualité, au mieux, il limitera les dégâts. 

Le HP, son rôle :
Le haut-parleur, (que l'on notera HP pour simplifier et que l'on trouve sous LS loud speaker dans la littérature anglo-saxonne) est un ensemble qui transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique et plus précisément en énergie acoustique.
Comment cela fonctionne t-il ?

Le HP est un système électrique couplé à un système électro-acoustique. On voit la constitution générale sur l'image à droite. On remarque que le HP est composé de trois parties essentielles qui sont :
  • La membrane 
  • La bobine mobile
  • L'aimant permanent

  1. La membrane, c'est elle qui en se déplaçant alternativement d'avant en arrière va créer les pressions dynamiques qui vont mettre en mouvement l'air. Ces surpressions que l'on appelle des ondes sonores vont venir jusqu'à nos oreilles.
  2. La bobine mobile est solidaire mécaniquement de la membrane, c'est son moteur. Cette bobine, sous l'action du courant de l'amplificateur BF va de déplacer d'avant en arrière.
  3. L'aimant permanent est comme son nom l'indique un aimant puissant (à ce propos, ne stockez pas vos supports magnétiques à proximité des enceintes de votre chaîne HI-FI). Il a une mission claire et bien définie: Créer un champ magnétique permanent.
Et la dynamique maintenant car il bouge le bougre :

Remercions au passage M. Faraday car comme nous le savons et comme il l'a démontré, électricité, magnétisme et dynamique sont étroitement liés. M. Faraday démontra, entre autres, que si l'on déplace un aimant dans un solénoïde, on observe aux bornes de celui-ci une tension. 

Pour ceux qui ont un peu suivi ce traité, le chapitre sur l'électromagnétisme nous a également enseigné, grâce à M. Laplace qu' un conducteur, parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique subit une force F, appelée force de Laplace.
Cette force se quantifie par :

F = I B l sin  a

Avec F en newton
I en Ampère
B en Tesla
l en mètre (longueur du déplacement)
C'est exactement ce qui va se passer dans le HP. L'amplificateur BF va fournir tension et courant à la bobine mobile, celle ci, placée dans le champ magnétique de l'aimant va être tantôt attirée, tantôt repoussée en fonction du sens du courant qui la parcourt.
Le HP sur le plan électrique :

Voici le circuit équivalent. La résistance R symbolise la résistance ohmique de la bobine mobile tandis que L représente l'inductance de celle-ci. 
L'impédance des HP :


Ce graphique va nous montrer quelques données intéressantes :

  • Pour les fréquences basses (jusqu'au point A), l'impédance vaut sensiblement la résistance ohmique de la bobine ce qui nous permet de déterminer facilement l'impédance d'un HP inconnu avec un simple ohmètre.
  • Vers le point B, l'impédance croît fortement et c'est facilement explicable car nous avons affaire à une inductance et c'est sa caractéristique première (Z = Lw) quand F croît, Z croît.
  • Le point C représente la valeur de l'impédance à 1 kHz, d'ailleurs c'est la définition. Remarquez de Z est légèrement supérieur à R.
  • Le point D où l'on note une forte montée de l'impédance est un point de résonance mécanique.
Quelques réflexions mécaniques :

Vous l'avez déjà remarqué, dans le domaine de la Hi-Fi, on voit des HP spécialisés car c'est difficile, pour un HP, de restituer intégralement et bien un spectre BF complexe. Injectez une tonalité unique et déjà vous constaterez des défauts, alors imaginez, un spectre multiple...
Le HP est aussi un système mécanique et la mécanique à des lois. La membrane a une masse et répond aux lois de l'inertie. Entre le moment de sollicitation électrique et le déplacement de la membrane, il y a un temps "t", ce temps n'est pas le même pour tout le spectre, toute la membrane ne vibre pas uniformément pour toutes les fréquences, la membrane possède une fréquence de résonance propre etc. Vous le concevez ce n'est pas aussi simple et primaire qu'il y paraît. 
Astuce :

Un Hp est un système totalement réversible, en hurlant devant, on peut le transformer en microphone. Ce truc était utilisé autrefois dans les interphones.
Améliorez considérablement la qualité BF de votre récepteur :

Les récepteurs commerciaux sont livrés aujourd'hui avec un petit HP bien sympathique mais manifestement inadapté à la mission qu'on lui confie. Pour améliorer les choses, choisissez un bon HP (récup télé par exemple) de l'impédance recommandée par le constructeur de votre jouet et installez-le (le HP, pas le jouet) dans une jolie boîte ouverte à l'arrière. Réalisez une boîte de dimensions suffisantes, en contre-plaqué épais et prenez le soin de vissez-coller les panneaux pour limiter les résonances mécaniques parasites. Vous m'en direz des nouvelles...

Le microphone

 
Un microphone est un transconducteur qui transforme de l'énergie acoustique (mécanique) en énergie électrique.

Si vous souhaitez causer dans le poste, il en faut bien un... On distingue plusieurs technologies qui possèdent naturellement des caractéristiques bien précises. Voyons de quoi il en retourne.

Les différents types de microphones :

Le micro charbon :

Priorité au plus ancien. Ce microphone qui a connu un grand succès autrefois, principalement parce qu'il est simple et économique est tombé en disgrâce de nos jours bien que les militaires l'aient utilisé à profusion. Consolez-vous, c'est ce type de micro que les opérateurs de téléphonie fournissaient dans les combinés, il y a encore peu de temps.

Le principe en est simple. Un réservoir contient de la grenaille de charbon dans laquelle circule un courant. Le fait de parler devant la capsule comprime cette grenaille ce qui fait chuter la résistance. Le courant varie donc au rythme des paroles.
Si le procédé est simple, cet engin souffre de petits défauts (nul n'est parfait). Il est tout d'abord de qualité BF médiocre donnant des modulations un peu étriquées et métalliques car il affecté d'un taux de distorsion important. L'autre grave défaut pour un micro "tout terrain" est que les granules de charbon sont extrêmement sensibles à l'humidité et que la moisissure à tendance à se former sur les granules ce qui a pour effet de les coller entre elles. Si vous possédez un micro charbon qui présente ces phénomènes, vous pouvez tenter de le restaurer en le chauffant sous une lampe quelques heures.
Le niveau de sortie est assez élevé (2 à 300 mV) et l'impédance basse (<100
W)

Le micro piézo-électrique ou céramique ou cristal :

La piézoélectricité, comme vous le savez, désigne la propriété qu'ont certains matériaux de fournir des charges électriques quand ils sont contraints mécaniquement et réciproquement de se déformer sous l'action de charges électriques. Ces propriétés sont mises à profit dans le microphone du même nom, cette fois, ce sont les ondes de pression provenant de la bouche de l'opérateur qui déforme le cristal.
Ces microphones sont intrinsèquement à haute impédance et ne souffrent ni de l'humidité ni de la chaleur (dans certaines limites quand même...) On en a vu beaucoup fleurir avec la diffusion en masse des appareils CB car ces micros ne sont pas chers à produire. Soyez quand même attentif au fait que moins c'est cher, moins c'est bon, les micros évoqués précédemment ayant la fâcheuse tendance d'avoir une courbe de réponse en forme de montagne russe.

Le micro dynamique ou électrodynamique :

C'est littéralement un haut-parleur inversé, car on retrouve la même constitution. Dans  le cas du micro, ce sont les ondes de pression qui font se mouvoir la bobine mobile dans le champ magnétique de l'aimant et l'on recueille ainsi une tension. Ces micros sont certainement les plus populaires dans le monde de l'émission d'amateur.
Intrinsèquement un micro dynamique est à basse impédance (attendez...) et ils sont pourvus d'un transfo en sortie de manière à atteindre les fatidiques 50 kW bien connus. Ces micros sont réputés pour être fidèles et ce n'est pas usurpé. Ce sont des micros qui passent difficilement les aiguës (>15 kHz) car la bobine a de l'inertie, vous remarquerez au passage qu'en matière de transmission, on n' en demande pas tant (300-3000 Hz)

Le micro électrostatique :

Ce micro est avant tout formé d'un condensateur, d'où son nom. Les ondes de pression font se mouvoir une palette qui  constitue une armature du condensateur. Cette variation mécanique se traduit par une variation de capacité. Il faut naturellement alimenter les plaques du condensateur. Ces micros ont une courbe de réponse plate.
Le micro électret:
Plus ou moins basés sur le même principe que les microphones électrostatiques, la pastille électret est chargée en permanence et fonctionne comme un condensateur dont on ferait changer la charge par l'action des ondes de pression. Les charges sont permanentes et liées à la fabrication ce qui explique qu'un électret de détériore très tranquillement dans le temps. Ceci dit, il n'est pas cher, alors...

La directivité des microphones :

En fonction de leur construction les microphones offrent une certaine directivité, c'est souvent voulu, c'est parfois contraint. Voici les formes les plus courantes :
Omnidirectionnel Bidirectionnel
Cardioïde Hyper cardioïde



Nous connaissons maintenant les principaux diagrammes de directivité des microphones. retenez ces formes car il s'agira rigoureusement de la même terminologie et des mêmes effets pour les diagrammes de rayonnement des antennes ce qui est quand même commode.

Directionnel  

Et voilà, c'est tout pour les microphones et haut-parleurs, nous avons maintenant une bonne idée de la question.