Brevet FR2582806A1 — publié le 19861205

La présente invention concerne un dispositif à utiliser dans les microphones à pression afin d'améliorer leurs propriétés à basse fréquence. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif à utiliser dans un microphone à pression ou en relation avec un microphone à pression, qui comprend un boîtier de microphone et un élément oscillant monté dans ou sur ledit boîtier, une membrane qui n'est en principe sensible qu'au domaine sonore se trouvant d'un premier côté, le deuxième côté faisant partie d'une cavité fermée du boîtier de microphone, ladite cavité représentant une première capacité acoustique et étant connectée à l'atmosphère ambiante par l'intermédiaire d'un étroit canal d'égalisation de pression repré- sentant une première résistance acoustique, ledit dispositif com- prenant une cavité supplémentaire qui représente une capacité acoustique supplémentaire et un canal d'égalisation de pression supplémentaire placé en série avec elles et représentant une résistance acoustique supplémentaire. La deuxième capacité et la deuxième résistance sont respectivement placées en série avec la capacité et la résistance de la première cavité et du premier canal de telle manière que l'égalisation des pressions du microphone s'effectue également par l'intermédiaire du canal d'égalisation de pression supplémentaire et de la cavité supplémentaire. L'invention est d'une importance particulière en ce qui concerne les microphones de mesure. Les microphones de mesure ont été largement utilisés pour mesurer des pressions sonores. Dans de nombreux essais acoustiques, il s'est toutefois révélé plus commode de mesurer l'intensité sonore, qui est un vecteur, plutôt que la pression sonore, qui est un scalaire. L'intensité sonore d'une source sonore peut être définie par exemple par l'intermédiaire de l'intégration de l'intensité sonore sur une surface entourant la source sonore,auquel cas il n'est besoin d'aucune chambre particulièrement anéchoique. Même un fort bruit de fond n'altèrera pas les résultats de mesure dans une mauvaise direction, car les sources sonores se trouvant à l'extérieur de la surface d'intégration environnante ne contribuent pas à l'intensité sonore intégrée. La localisation et l'identification de sources sonores, Le tracé de lignes de passage pour l'énergie sonore, par exemple à L'intérieur de véhicules, et La recherche de L'absorption sonore en fonction de L'angle d'incidence du son peuvent être mentionnés comme d'autres domaines d'application. La mesure de l'intensité repose souvent sur une technique à deux microphones, par exemple comme décrit par Finn Jacobsen dans le rapport n 28 de Danmarks Tekniske Hdjskole, Akustik Laboratorium (the Technical University of Denmark, Acoustic Laboratory): "Measuring sound intensity". En bref, la méthode repose sur l'approximation selon laquelle le vecteur intensité dans un champ sonore fixe en un point spécifique est égal à la vaLeur, prise en moyenne sur le temps, du produit de la pression instantanée par la vitesse de particules correspondante au même point, et le vecteur de la vitesse de particules peut être déduit du gradient de pression sonore au point considéré. Ce gradient de pression est approximativement égal à la différence de pression entre deux points situés à une petite distance du point de référence, divisée par La distance séparant les deux points de mesure. Les conditions d'application pratique de la méthode, en particulier pour les basses fréquences, sont que les deux micro- phones de pression sont adaptés l'un à L'autre extrêmement bien, en particulier en ce qui concerne leurs caractéristiques de phase, si l'on veut éviter Les erreurs de mesure. Il faut ainsi faire des mesures et opérer une sélection entre de nombreux types de microphones ou bien ajuster de manière longue et complexe la paire réelle de microphones. Le problème d'adaptation de phase qui est lié aux microphones de mesure connus ayant une fréquence de seuil inférieure de l'ordre de 0,1 à 20 Hz qui doivent être utilisés dans le montage de mesure de l'intensité à deux microphones ci-dessus mentionné, est illustré par le fait qu'une différence de phase de 0,1 à 20 Hz correspond à une variation de la distance effective des microphones, c'est-à-dire de la distance entre les centres acoustiques des microphones de la paire, d'environ 4,8 mm, ce qui correspond à environ 10 % de la distance typique séparant les microphones fixes. Le déphasage aux basses fréquences est produit par la structure des microphones de pression. Les microphones sont de préférence des microphones de pression à condensateur, dont le signal de sortie est proportionnel à la différence entre la pression en avant de la membrane et la pression du côté arrière du microphone. Pour assurer que la pression statique, c'est-à-dire la pression atmo- sphérique, a la même valeur à l'extérieur du microphone et à l'intérieur du microphone, un étroit canal d'égalisation de pression relie l'espace interne à la membrane avec l'atmosphère ambiante, si bien que les variations de la pression atmosphérique, qui s'effectuent très lentement, peuvent être égalisées par l'inter- médiaire du canal. Le canal est si étroit que les différences dynamiques de pression provoquées par la propagation du son n'influencent pas le côté postérieur de la membrane, si seulement la fréquence est relativement élevée, par exemple de I Hz ou plus. Toutefois, des erreurs de phase importantes non souhaitables se produisent aux fréquences inférieures en relation avec la mesure de l'intensité, ces différences dynamiques de pression apparaissant si lentement que leur effet peut se propager au travers du canal d'égalisation de pression jusqu'au c6té postérieur de la membrane. L'impédance acoustique du canal peut être élec- triquement égalisée au moyen d'une résistance ohmique, tandis que la cavité se trouvant derrière la membrane peut être égalisée au moyen d'un condensateur qui possède une certaine capacité. Pour les fréquences de seuil inférieures du microphone, o la sensibilité a diminué de 3 dB, ces impédances sont également élevées et le déphasage est donc de 45 . Si l'on augmente la fréquence de dix fois la fréquence de seuil inférieure, la réactance de la cavité diminue d'un facteur dix, tandis que la résistance du canal reste pratiquement inchangée. Comme la pression dans la cavité a été décalée d'environ 90 par rapport à la pression en avant de la membrane, le déphasage sera presque égal à arctg 0,5 = 5,7 , pour un microphone dont la fréquence de seuil inférieure est égale à 2 Hz, tandis qu'elle est d'environ 2,85 pour un microphone ayant une fréquence de seuil inférieure de I Hz. Ceci signifie que la fréquence de seuil inférieure des deux microphones est relativement décisive en ce qui concerne le déphasage introduit. Un changement de ta fréquence de seuil inférieure atteignant 0,0035 Hz seulement provoque un déphasage de 0,1 . Il est donc montré combien est crucial le problème du déphasage pour les deux microphones utilisés dans la mesure de l'intensité. Un dispositif à utiliser dans des microphones du type ci-dessus mentionné est, selon l'invention, caractérisé en ce que le canal d'égalisation de pression supplémentaire est dimensionné de telle manière qu'il n'assure sensiblement qu'une égalisation des pressions statiques. En permettant que l'égalisation de pression ait lieu entre un canal d'égalisation supplémentaire et une cavité supplémentaire, on obtient deux liaisons RC acoustiques en série, en analogie à la théorie électrique. Pour un dimensionnement convenable, ceci implique que la pression dynamique régnant à l'intérieur du microphone se réduise deux fois du même facteur. En utilisant le même exemple que ci-dessus, pour un microphone ayant une fréquence de seuil inférieure de 20 Hz, on obtient une réduction de la pression,dans La première liaisornvalant 1/10 de la pression régnant en avant de la membrane et une autre réduction, dix fois,pour la pression de la deuxième liaison, si bien que la pression régnant sur le côté arrière de la membrane a été réduite d'un facteur 100. Ceci seul provoque un déphasage plus petit pour les fréquences inférieures. Il faut ajouter que les différences dynamiques de pression (le signal) se propageant à l'intérieur du microphone, plus spécialement à l'arrière de la membrane, sont déphasées de 90 au travers de chacune des deux liaisons RC, si bien que le déphasage total se monte à 180 . Comme une influence donnée sur le c6té postérieur de la membrane est égale à une influence déphasée de 180 sur l'avant de la membrane, le déphasage total se monte à 360 . Ainsi, le résultat total de la mesure sera que le déphasage du microphone aura fortement diminué en même temps que sa sensibilité aura été augmentée dans une petite mesure. En d'autres termes, une erreur de phase relativement grosse et peu pratique sera, par le moyen du dispositif selon l'invention, transformée en une petite erreur d'amplitude. Une petite erreur portant sur la sensibilité (une erreur d'amplitude) ' vaut toutefois mieux qu'une erreur de phase en ce qui concerne les mesures de l'intensité, comme on a pu Le voir ci-dessus. Au-delà de L'influence sur la caractéristique de phase d'un microphone en relation avec sa fréquence de seuil infé- rieure, iL est également possible, au moyen d'un-dispositif selon l'invention, d'influencer La caractéristique d'amplitude, car on peut déplacer la fréquence de seuil inférieure vers des fréquences plus basses en ajoutant une Liaison RC acoustique supplémentaire ayant une fréquence de coupure suffisamment basse. IL est en outre possible de simplifier l'étalonnage des microphones un à un ou par paires, l'influence du canal d'éga- Lisation de pression sur les caractéristiques de fréquence étant sensiblement éliminées, si bien qu'il n'est pLus nécessaire de prévoir l'existence du canaL d'égalisation de pression. Un microphone est révélé par la demande de brevet de la République Fédérale Allemande n 1 011 467, qui est doté d'un dispositif supplémentaire se présentant sous la forme d'une section de déphasage acoustique. Cette section de déphasage a pour effet que le microphone se trouve doté d'une caractéristique directionnelle particulière; en résultat, il peut être utilisé pour la mesure de gradients de pression. La description suivante, conçue à titre d'illus- tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur Les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 montre un microphone de pression à condensateur sur lequel est monté un dispositif selon l'invention; - la figure 2 présente des courbes du déphasage pour les fréquences inférieures de deux microphones de pression ayant des fréquences de seuil inférieures différentes, en partie sans et en partie avec un dispositif selon l'invention; - la figure 3 montre des courbes du déphasage pour les fréquences inférieures d'un microphone de pression sur lequel des dispositifs selon l'invention sont montés et pour différentes fréquences de seuil inférieures des dispositifs; - la figure 4 montre des courbes du déphasage apparaissant à des fréquences inférieures entre deux canaux de microphone, en partie avec des microphones inversés, en partie avec des dispositifs selon l'invention montés sur Les microphones; et - la figure 5 iLLustre un microphone de pression sur LequeL sont montés des dispositifs seLon L'invention. Sur la figure 1, est présenté un microphone de pression à condensateur doté d'un dispositif seLon l'invention. Le microphone comprend un boîtier de microphone extérieur 10 ayant sensiblement la forme d'un élément structurel cylindrique. Un élément à membrane, désigné par le numéro de référence général 11, est monté sur le boitier de microphone 10 à son extrémité supérieure, comme représenté sur la figure 1. L'élément à membrane est constitué par un court socle cylindrique 12 doté de rebords 13 qui, avec le bottier de microphone 10, tendent une membrane 14. Cette membrane constitue l'électrode mobile du microphone. L'élément à membrane 11 est vissé sur le boîtier de microphone 10, ou lui est fixé d'une autre manière, si bien qu'une connexion électriquement conductrice est établie entre le boitier 10 et la membrane 14. Le côté interne du bottier de microphone 10 est doté d'un évidement 15 présentant une surface de butée 16 servant à un isolant en forme de disque 17. L'isolant 17 est retenu dans le boîtier de microphone 10 par l'intermédiaire d'une bague de retenue 18 vissée dans un filetage 19 qui est formé sur le côté interne du bottier. En son centre, l'isolant 17 porte une électrode fixe 20, que l'on désigne également, en termes techniques, comme étant l'électrode postérieure ou la plaque postérieure. L'électrode 20 est constituée d'une tête 21 ayant une surface plane 22 qui constitue la plaque de condensateur fixe réelle et une partie en forme de tige 23 insérée au travers de l'isolant 17 et se terminant en une borne 24 d'un matériau bon conducteur de l'électricité. L'élément à membrane 11, le boîtier de microphone 10, l'électrode postérieure 20 et l'isolant 17 limitent donc un espace rempli d'air, ou une cavité, 25 qui n'est relié à l'atmosphère ambiante que par l'intermédiaire d'un canal d'égalisation de pres- sion 26. On peut réaliser le canal de plusieurs manières. Dans certains microphones, le canal d'égalisation de pression est réalisé par une perforation faite dans la paroi du bottier du microphone, après quoi on obtient la résistance acoustique nécessaire en faisant passer un fil d'épaisseur convenable au travers du canal 26. Le canal d'égalisation de pression 26 est réalisé d'une manière diffé- rente dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1. Un mince élément d'écartement 27 est inséré entre la surface de butée 16 se trouvant dans l'évidement 15 du microphone et l'isolant, dans lequel éLément d'écartement est découpée une étroite bande 28. La résistance acoustique du canal d'égalisation de pression est définie par le produit de la largeur de la bande découpée, typi- quement de 100 pm, de L'épaisseur de l'élément d'écartement 27, typiquement de 10 pm, et de la largeur de l'élément d'écartement, typiquement de 1 500 pm. Le passage entre l'isolant 17 et Le côté interne du boîtier de microphone dans l'évidement 15 est si large qu'il n'oppose aucune résistance notable. La communication de ce ; passage avec l'atmosphère ambiante a lieu par un évidement 29 formé dans la bague de retenue 18. Ce système d'égalisation de pression connu est, comme mentionné dans le préambule, la raison pour laquelle le microphone présente, aux basses fréquences, des déphasages d'une amplitude ne convenant pas et crée principalement des problèmes en relation avec l'adaptation des microphones en vue de leur utilisation dans des mesures d'intensité. Pour remédier à cet inconvénient, un dispositif constitué -par un prolongement, désigné par le numéro de référence 30, du boîtier de microphone est monté sur le microphone connu, comme représenté sur la figure 1 selon l'invention. Le prolongement est représenté sur les dessins sous forme d'un prolongement qui peut se visser, via un filetage 19 formé dans l'extrémité, sur un microphone existant et peut donc constituer un embout. Ce dispositif peut également être formé solidairement du microphone et constitué alors une partie solidaire de celui-ci. L'embout 30 comprend une section de tuyau 31 qui, dans certains cas, peut être doté d'un filetage 32 du côté extérieur pour venir en prise avec le filetage 19 du microphone au niveau de l'extrémité et, dans d'autres cas, il peut s'agir simplement d'un proLongement du bottier du microphone 10. La section de tuyau 31 est dotée, à La partie inférieure, d'un évidement 33 possédant une surface de butée orientée radialement 34 qui est destinée à un deuxième isolant 35 retenu par une deuxième bague de retenue 36 qui se visse sur un filetage intérieur 37, également utilisé pour le couplage de l'équipement restant de mesure et d'alimentation électrique. En son centre, l'isolant 35 porte un conducteur élec- trique 38 qui s'insère au travers de l'isolant et se termine en une patte de prise 38 servant à établir la connexion électrique de la borne 24 du plateau postérieur 20 avec L'équipement extérieur (non représenté). Comme illustré sur la figure, la section de tuyau 31 et les deux isolants 17 et 35 limitent une cavité supplé- mentaire 40 qui est reliée, par l'intermédiaire du canal d'égali- sation de pression 26, avec la cavité supérieure 25 et, par consé- quent, avec Le c8té postérieur de la membrane 14. Pour établir le contact avec l'atmosphère ambiante, un mince élément d'écartement 41 a été inséré entre la surface de butée 34 de ta section de tuyau 31 et le deuxième isolant 35. Une bande étroite a été retirée de l'élément d'écartement pour former un canal d'égalisation de pression 42 supplémentaire qui peut être dimensionné de façon à donner une résistance acoustique souhaitable. Le passage entre le deuxième isolant 35 et le côté intérieur de la section de tuyau 31 de l'évidement 33 est, également ici, d'une largeur telle qu'il n'oppose aucune résistance notable. La communication de ce passage avec l'atmosphère ambiante a lieu par l'intermédiaire de perforations convenables 43 formées dans la paroi de la section de tuyau 31. - Les variations de la pression dynamique sont transmises pour les faibles fréquences depuis l'avant de la mem- brane 14 jusqu'à l'arrière de la membrane par l'intermédiaire d'un canal d'égalisation de pression supplémentaire 42, de la cavité supplémentaire 40, par l'intermédiaire aussi du premier canal d'égalisation de pression 26 et de la première cavité 25, grâce au dispositif de l'invention. Ce trajet acoustique de l'onde peut être égalisé au moyen de deux liaisons RC connectées en série qui déphasent le signal de deux fois 90C. On obtient donc les avantages ci-dessus mentionnés. La figure 2 présente quatre courbes qui montrent le déphasage au voisinage de la fréquence de seuil inférieure de deux microphones ayant des fréquences de seuil inférieures diffé- rentes, en partie avec et en partie sans le dispositif de l'in- vention. La courbe A montre le déphasage d'un microphone, dont la fréquence de seuil inférieure est égale à 1 Hz, tandis que la courbe A' montre le déphasage de ce même microphone sur lequel on a monté un embout de 1 Hz, à savoir un embout dont la fréquence de seuil inférieure est égale à 1 Hz. Les courbes montrent clairement l'amélioration obtenue, le déphasage étant, avec l'embout de l'invention, maintenu à + 0,30 jusqu'à environ 20 Hz, par compa- raison avec les 200 Hz en l'absence d'embout. La courbe B montre le déphasage d'un microphone dont la fréquence de seuil inférieure est égale à 2 Hz, tandis que la courbe B' montre le déphasage de ce même microphone sur lequel est monté un embout de 1 Hz. La particularité essentielle est que la différence des fréquences de seuil inférieures des microphones conduit à une différence importante pour le déphasage aux fréquences inférieures, lorsque les microphones fonctionnent sans embout, comme le montre un exemple pris à 20 Hz o la différence de déphasage est 2,85 . Toutefois, cette différence de déphasage est considérablement réduite lorsque les microphones sont dotés d'un embout, comme le montre l'exemple pris pour 20 Hz o la différence de phase entre les deux microphones est maintenant de 0,3 environ seulement. Par conséquent, les fréquences de seuil inférieures des microphones ne sont plus si cruciales. Il est en outre montré que le déphasage des microphones modifiés sera important pour des fréquences très inférieures. La figure 3 illustre le calcul de courbes de déphasage d'un microphone sur lequel a été monté un embout présentant différentes constantes de temps. Il apparaît que la fréquence de seuil de l'embout n'est pas cruciale. La fréquence de seuil infé- rieure du microphone utilisé est 2 Hz, ce qui correspond à la courbe B de la figure 2. La courbe C' calculée se rapporte au microphone sur lequel est monté un embout ayant une constante de temps de 0,08 s, tandis que la courbe C" se rapporte à un microphone ayant un embout dont la constante de temps est de 0,16 s. Les courbes sont congruentes à environ 40 Hz et divergent après jusqu'à environ 0,1 pour 20 Hz. Il apparaît donc que les constantes de temps différentes de l'embout ne constituent pas un paramètre crucial. La figure 4 montre l'effet d'un dispositif selon l'invention sur le déphasage d'un canal de microphone à des fréquences inférieures, c'est-à-dire dans la gamme des fréquences de 20 Hz à 1 kHz. Les courbes I et II montrent le déphasage mesuré entre deux canaux de microphones, le canal a et le canal b, o les microphones utilisés, à savoir le microphone A et le microphone B, sont construits de manière traditionnelle en ce qui concerne l'égalisation de pression. La courbe I montre la différence mesurée de la fréquence en fonction de la fréquence entre le canal a et le canal b, o le microphone A a été connecté avec le canal a et le microphone B avec le canal, tandis que la courbe II montre la différence de phase mesurée entre ces deux mêmes canaux, mais avec des microphones inversés, à savoir le microphone B étant connecté au canal a et le microphone A au canal b. Sur l'échelle des ordonnées, une unité correspond à un déphasage de 1 . Ces courbes montrent clairement que les microphones construits de manière traditionnelle ont, pour les fréquences inférieures, une très grande influence sur les caractéristiques de phase des canaux de microphones. Toutefois, si l'on monte sur les microphones un dispositif selon l'invention, on obtient deux nouvelles courbes, la courbe III et la courbe IVen relation avec une répétition des mesures du déphasage entre le canal a et le canal b, lesdites courbes III et IV étant presque congruentes sur tout l'intervalle de fréquence allant de 20 Hz à 1 kHz et étant pratiquement hori- zontales. Ces deux dernières courbes montrent clairement qu'une inversion des microphones modifiés entre les deux canaux n'a pas d'effet sur les caractéristiques de phase des canaux des microphones, comme c'est pourtant le cas avec les deux microphones non modifiés. En outre, les courbes montrent clairement que des microphones modifiés selon l'invention présentent l'effet supplémentaire que l1 le déphasage reste identique sur tout L'intervalle de fréquence, les courbes III et IV s'étendant suivant la direction horizontale. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le microphone de pression à condensateur est doté de deux dispositifs selon l'invention. Il est ainsi obtenu un déphasage supplémentaire de 90 pour la composante non souhaitable, qui influence le côté postérieur de La membrane. Toutefois, La composante non souhaitable subit une nouvelle réduction, si bien qu'elle n'a pas d'effet en pratique. Il n'y a rien qui empêche que des microphones supplémentaires ne soient montés, et la composante non souhaitable diminue en même temps qu'augmente le nombre de dispositifs mis en place. En relation avec un nombre impair de dispositifs, l'erreur de phase sera 0 . Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont La description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à être utilisé dans un microphone de pression ou en relation avec un microphone de pression comprenant un boîtier de microphone (10) et un élément oscillant monté dans ou sur ledit boîtier, une membrane (14) qui n'est, en principe, sensible au domaine sonore que d'un premier côté, le deuxième côté faisant partie d'une cavité fermée (25) se trouvant dans Le bottier du microphone, Ladite cavité représentant une première capacité acoustique et étant reliée à l'atmosphère ambiante par l'inter- médiaire d'un étroit canal d'égalisation de pression (26) repré- sentant une première résistance acoustique, ledit dispositif comprenant une cavité supplémentaire (40) qui présente une capacité acoustique supplémentaire et un canal d'égalisation de pression supplémentaire (42) disposé en série avec celle-ci et présentant une résistance acoustique supplémentaire, la deuxième capacité et la deuxième résistance étant respectivement placées en série avec la capacité et la résistance de la première cavité (25) et du premier canal (26) de telle manière que l'égalisation despressions du microphone s'effectue aussi par l'intermédiaire du canal d'éga- lisation de pression supplémentaire et de la cavité supplémentaire, caractérisé en ce que le canal d'égalisation de pression supplé- mentaire est dimensionné de telle manière qu'il ne permet sensi- blement que l'égalisation des pressions statiques. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cavité supplémentaire (40) et le canal d'égali- sation de pression supplémentaire (42) font partie intégrale du microphone de pression. 3. Dispositif selon La revendication 2, dans lequel le microphone de pression comprend un boltier de microphone qui possède une électrode fixe (20) montée sur un élément isolant (17) dans ledit boîtier, une électrode mobile qui est en relation avec ledit élément et est placée à l'extrémité du microphone et dans lequel la cavité fermée est limitée entre l'électrode fixe et l'élément isolant, caractérisé en ce que la cavité supplémentaire (40) et le canal d'égalisation de pression supplémentaire (42) sont solidaires du microphone entre ledit élément isolant (17) et un élément isolant supplémentaire (35) d'un conducteur électrique (38) d'un prolongement (30), tourné vers l'arrière, du boîtier du microphone. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité supplémentaire et le canal d'égalisation de pression se présentent sous forme d'un embout distinct pouvant être monté de manière amovible sur un microphone commun. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs liaisons RC acoustiques couplées en série et produisant une égalisation de pression sensiblement statique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre impair de liaisons RC acoustiques produisant une égalisation de pression sensiblement acoustique. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend trois liaisons RC acoustiques.