ÉLECTRO-ACOUSTIQUE

ÉLECTRO-ACOUSTIQUE

En acoustique comme en tant d’autres domaines, l’électricité a acccompli une révolution: véhicule de l’information aux propriétés remarquables, elle a permis de résoudre des problèmes restés sans solution depuis des millénaires et a ainsi donné naissance à l’électro-acoustique. N’importe quel son peut aisément être transformé en signal électrique, et ce signal peut être transmis aussi loin qu’on le désire. Mais il peut aussi être enregistré, transformé, analysé, étudié, reconstitué, et ces manipulations offrent des possibilités tellement vastes et tellement nouvelles qu’il n’est plus aujourd’hui une seule branche de l’acoustique qui n’utilise, comme moyen d’action fondamental, l’électro-acoustique: enregistrement et diffusion universels de la voix humaine et de la musique, étude des lois de l’acoustique physique et de celles de l’acoustique psychophysiologique, rééducation des sourds et des muets, prothèse auditive, étude des cris d’animaux et nouveaux moyens d’action en agronomie, étude des bruits nocifs pour l’homme afin de s’en protéger, amélioration des salles de concert ou de conférence et aussi, plus généralement, de tous locaux publics, étude des instruments de musique traditionnels, création d’instruments de musique nouveaux, mais également de formes de musique totalement nouvelles, etc.

Partout, on retrouve à la base de l’opération deux «outils» qui permettent d’opérer, l’un, la transformation, la traduction d’un signal acoustique en signal électrique: c’est le microphone ; l’autre, la traduction inverse: c’est le haut-parleur ou l’écouteur ; d’où le néologisme de «transducteurs électro-acoustiques» inventé pour désigner ces deux types d’appareils fondamentaux et tous les appareils plus particuliers qui leur sont apparentés.

L’électro-acoustique est la science de ces traductions; elle est du ressort à la fois de l’électricité – ou plutôt de l’électronique – avec ses lois pour la plupart très précises et bien connues et de l’acoustique, où les phénomènes physiques, essentiellement mécaniques, obéissent à des lois déjà fort complexes et sont perçus par l’oreille, dont on sait la complexité physiologique, pour être finalement appréciés par le cerveau, «appareil» dont les mécanismes nous échappent encore presque totalement. L’électro-acoustique, si elle tire de l’aspect «électrique» une certaine rigueur de véritable science physique, reste encore largement tributaire d’un certain empirisme, conséquence de la trop grande complexité des phénomènes mécaniques mis en jeu, mais plus encore des incertitudes inhérentes au fonctionnement de l’appareil de mesure final, l’oreille.

Enfin, l’électro-acoustique est naturellement dominée par le problème de la fidélité : lorsque l’on a un message à transmettre, il importe en principe de ne pas l’altérer. L’électro-acoustique a atteint son but lorsqu’elle a permis la restitution parfaitement fidèle d’un message sonore, après que celui-ci ait été tout d’abord enregistré et transmis sous forme de signal électrique. C’est cette préoccupation essentielle qui a fait naître dans le domaine du grand public le vocable maintenant commun de «haute fidélité», réservé d’ailleurs en général à la transmission de messages sonores musicaux ou, du moins, à caractère esthétique.

1. Haute fidélité

Donner au mélomane qui écoute chez lui de la musique enregistrée ou radio-diffusée la même «sensation» sonore que s’il se trouvait au concert est, en réalité, un pari fort difficile à tenir pour un très grand nombre de raisons, parmi lesquelles on peut distinguer, d’une part, des problèmes purement techniques et, d’autre part et surtout, des questions de principe.

Les problèmes techniques sont liés à l’imperfection des divers éléments de la chaîne de transmission électro-acoustique, et tout particulièrement des transducteurs: distorsions de tous ordres apportées par les microphones lors de la prise de son, et plus encore par les haut-parleurs lors de la reproduction, mais aussi bruit de fond apporté par le magnétophone lorsqu’il y a eu enregistrement, distorsions qui apparaissent à la lecture des disques, etc. Tous ces problèmes contribuent à limiter la fidélité absolue de la chaîne de transmission, de sorte que, de ce point de vue, le qualificatif de «haute fidélité» apparaît comme extrêmement relatif. De fait, lorsqu’on l’attribue à un appareil, il s’agit plutôt d’une sorte de label de qualité qui tend à le distinguer des appareils du même type, mais de qualité courante. L’expression «haute qualité» serait préférable, car, dans l’état actuel de nos connaissances, rien ne permet de mesurer de façon absolue la fidélité d’un transducteur électro-acoustique. Cela étant, du fait que ces problèmes ne tiennent qu’à l’imperfection technique des appareils électro-acoustiques et que les progrès sont constants, on peut raisonnablement supposer qu’il arrivera un jour où ces imperfections auront toutes reculé au-delà des limites de ce qui est perceptible par l’oreille: on aura effectivement atteint la fidélité absolue, qui restera cependant une fidélité strictement technique, celle de la chaîne qui va du microphone de prise de son au haut-parleur reproducteur.

La fidélité absolue, c’est-à-dire la perfection technique de la chaîne de transmission électro-acoustique qui va de la salle de concert jusqu’à l’auditeur en chambre, est évidemment une condition absolument nécessaire – et c’est ce qui donne tout leur sens aux recherches des techniciens de la haute fidélité –, mais il est clair qu’elle n’est pas suffisante. Des obstacles importants se dressent. Tout d’abord, le niveau sonore auquel on peut écouter chez soi est en général limité et atteint rarement celui que l’on aurait si l’on était réellement au concert. Inversement, d’ailleurs, le bruit ambiant au milieu duquel on écoute est, en général, d’un niveau plus élevé chez soi qu’au concert. Mais, même si l’on surmonte ces deux obstacles – ce qui est effectivement possible dans certains cas –, il en reste un qui est beaucoup plus important encore: il réside dans les effets d’espace , créés, en salle de concert, par l’étendue physique de la source sonore réelle et par la réverbération de la salle. Cette réverbération, due aux multiples réflexions des ondes sonores sur les parois, a pour effet d’ajouter en quelque sorte à la source sonore réelle – orchestre ou soliste – une multitude de sources sonores virtuelles, images de la source réelle, et cela exactement de la même manière qu’un miroir à nombreuses facettes multiplie presque à l’infini les images d’une bougie. Avec, toutefois, cette différence fondamentale: contrairement à la vitesse de la lumière, la vitesse de propagation du son n’est pas très élevée, de sorte qu’à l’effet de multiplication des sources virtuelles s’ajoute un effet de retard, c’est-à-dire un effet d’écho. C’est l’ensemble de ces échos multiples, et trop proches les uns des autres pour qu’on puisse les distinguer, que l’on appelle la réverbération. Celle-ci a une importance fondamentale dans l’esthétique du message sonore perçu. Tout changement important dans les effets d’espace est une «infidélité» grave de la chaîne de transmission.

La stéréophonie est un procédé technique de prise de son et de reproduction qui vise à restituer, au moins en partie, les effets d’espace réels ou, du moins, l’un de leurs deux aspects fondamentaux: celui qui tient à l’étendue spatiale, tant en largeur qu’en profondeur, de la source sonore réelle. L’inconvénient fondamental du procédé monophonique de prise de son et de reproduction résidait évidemment dans le fait que, à l’écoute, tous les sons semblaient provenir d’un seul et même point de l’espace, celui où était située l’enceinte acoustique. Ce phénomène, parfaitement normal et même souhaitable si la source réelle que l’on cherche à reproduire est, par exemple, un chanteur ou un instrument de musique de petites dimensions, devient par contre intolérable lorsque cette source est un orchestre, un orgue, un chœur...

Une prise de son spéciale à l’aide de deux microphones convenablement espacés, suivie d’une reproduction à l’aide de deux enceintes acoustiques alimentées par des signaux différents et espacées de quelques mètres, permet, dans une certaine mesure, de reconstituer fictivement une «scène sonore» étendue et, par là, beaucoup plus réelle. La stéréophonie constitue donc, de ce point de vue, un progrès très important dans la recherche d’une reproduction fidèle. Mais elle ne résout pas le second aspect du problème, qui est celui de la réverbération, c’est-à-dire de l’«ambiance sonore»: pour donner à un auditeur qui écoute dans une pièce d’un volume restreint l’impression qu’il est réellement au concert, il faut utiliser des procédés beaucoup plus compliqués. De tels procédés ont fait l’objet de nombreuses études, qui ont abouti, au début des années quatre-vingt-dix, à la réalisation d’appareils dits processeurs d’acoustiques, cependant encore imparfaits.

2. Principes des transducteurs électro-acoustiques

Analogies électro-mécano-acoustiques

Le courant électrique, les vibrations mécaniques, les ondes sonores sont tous des phénomènes vibratoires . Il n’est donc pas étonnant que, en comparant les équations qui régissent certains circuits électriques à celles qui servent à décrire des régimes vibratoires, mécaniques d’abord puis, plus tard, acoustiques également, on ait constaté des analogies frappantes: il suffit de faire correspondre entre elles certaines grandeurs respectivement électriques, mécaniques et acoustiques pour que les systèmes d’équation deviennent les mêmes.

Ainsi en est-il de l’équation qui régit un circuit électrique simple comprenant une inductance L, une résistance R et une capacitance C en série:

et de celle qui régit le «circuit» mécanique formé par une masse M suspendue à un ressort de raideur K avec un frottement du type visqueux caractérisé par le coefficient R:

L’utilité de telles analogies est alors très vite apparue: les régimes vibratoires des circuits électriques étant relativement bien connus et assez faciles à expérimenter, il était tentant, avant d’élaborer une théorie ou de réaliser une expérience mécanique ou acoustique, d’en faire l’étude sur son «image» électrique.

Ainsi se sont précisées, peu à peu, des correspondances qui sont résumées dans le tableau.

Bien entendu, une fois déterminées les analogies entre ces grandeurs fondamentales, il est aisé d’en déduire les analogies entre toutes les grandeurs utilisées. Ainsi peut-on faire apparaître, par exemple lorsque c’est nécessaire, les notions d’admittance et de réactance mécanique ou acoustique, etc.

La pression acoustique a pour analogue électrique la force électromotrice, et la variation instantanée de volume d’une petite masse d’air en un point correspond à la charge électrique. On remarquera qu’au courant électrique correspond le «flux de vitesse» des particules d’air qui, physiquement, n’est pas autre chose qu’un courant d’air instantané.

Tout comme la résistance mécanique, la résistance acoustique est due à un phénomène de frottement ou, plus précisément – mais ce n’en est qu’un cas particulier –, de viscosité. Lorsqu’une onde acoustique passe par un tube fin ou une fente fine, le frottement de l’air contre les parois provoque une dissipation d’énergie acoustique, qui se transforme en chaleur. Ainsi, un matériau poreux réputé «insonorisant» peut être considéré comme un ensemble de petits tubes fins ou de petites fentes fines, c’est-à-dire qu’il se comporte comme un ensemble de résistances acoustiques élémentaires.

L’inertance acoustique correspond, tout comme l’inductance en électricité, à l’inertie qu’oppose une masse mécanique à une variation rapide de vitesse. En acoustique, cette inertie est d’ailleurs opposée effectivement par une masse, celle d’un petit volume d’air qui se déplace en bloc; c’est le cas de l’air contenu dans un tube lorsque la longueur de celui-ci est beaucoup plus petite que la longueur d’onde du son considéré.

En électricité, un condensateur est un dispositif capable d’emmagasiner l’énergie d’une charge électrique pour la restituer ensuite au cours de sa décharge. En mécanique, l’élasticité d’un ressort fixé à une de ses extrémités lui fait emmagasiner de l’énergie lorsque l’on déplace l’autre extrémité. Exactement de la même façon, une capacitance acoustique est capable de se «charger» et de se «décharger», c’est-à-dire d’emmagasiner, puis de restituer par élasticité l’énergie correspondant à une petite variation de volume: c’est ce qui se produit lorsqu’une pression acoustique comprime légèrement l’air contenu dans une cavité, à condition que la plus grande dimension de cette cavité soit petite devant la longueur d’onde du son considéré, afin que l’on puisse négliger tout phénomène de propagation du son dans la cavité.

L’ensemble formé par une cavité qui s’ouvre sur l’air ambiant par l’intermédiaire d’un tube court a donc pour analogue électrique exact, dans les fréquences basses, un circuit LC, c’est-à-dire un circuit oscillant, ou résonnant; c’est bien ce que l’on constate effectivement: en électro-acoustique, un tel dispositif constitue un résonateur de Helmoltz et trouve une application intéressante dans les enceintes acoustiques résonnantes.

Principes de fonctionnement des transducteurs électromécaniques

Hormis un seul cas très particulier – celui du transducteur ionique –, la transformation de l’énergie électrique en énergie acoustique ou réciproquement ne se fait pas directement: il y a passage par un stade intermédiaire, celui où l’énergie mécanique est emmagasinée par un solide qui se meut ou qui se déforme. La distinction entre mouvement et déformation n’est d’ailleurs pas toujours aisée, mais le fait essentiel demeure: le mouvement des particules de ce solide – dont la densité est très différente de celle de l’air – provoque directement – ou est provoqué par – le mouvement des molécules voisines de l’air ambiant: c’est la traduction mécano-acoustique. Simultanément, ce mouvement mécanique est provoqué lui-même par – ou provoque – la variation d’une grandeur électrique dans un circuit; c’est la traduction électromécanique. Techniquement, c’est surtout par la façon dont s’opère cette dernière que l’on distingue les différents types de transducteurs électro-acoustiques.

Principe électromagnétique

Le principe le plus appliqué, tant pour les haut-parleurs que pour les microphones, est incontestablement celui qui est fondé sur l’interaction courant électrique-champ magnétique (lois de Laplace et de Lenz).

Il est courant de distinguer le type électrodynamique, dans lequel l’élément mécanique mobile est un conducteur, du type électromagnétique proprement dit, dans lequel cet élément mobile est une partie – généralement en fer doux – d’un circuit magnétique. En réalité, il s’agit surtout d’une distinction technologique, car, physiquement, les phénomènes mis en jeu sont les mêmes. Les deux équations fondamentales qui régissent un tel système sont:

où F désigne la forme mécanique qui s’exerce sur la partie mobile, v la vitesse de cette partie mobile, e la force électromotrice aux bornes du conducteur, i le courant dans ce conducteur, Z^m l’impédance mécanique de la partie mobile, Z^e l’impédance électrique du conducteur et A le coefficient de couplage électromécanique, dont l’expression physique exacte dépend de la technologie utilisée: pour un conducteur de longueur totale l mobile dans une induction fixe B, A = Bl (fig. 1).

Principe électrostatique

On utilise la relation de l’électrostatique qui lie la capacité d’un condensateur à la distance entre ses armatures quand tous les autres paramètres sont fixés. Lorsque l’on fait varier la charge, une force nouvelle s’exerce, qui tend à provoquer un déplacement des armatures par rapport à la position de repos pour laquelle les réactions mécaniques annulent la force d’attraction correspondant à la charge au repos: on a un moteur électrostatique de haut-parleur ou d’écouteur. Inversement, si l’on provoque, par l’intermédiaire d’une pression mécanique sur l’une des armatures, un déplacement de celle-ci, il s’ensuit une variation de capacité qui entraîne une variation de charge, donc un courant dans le circuit: il s’agit d’un capteur électrostatique. En régime sinusoïdal de pulsation 諸, les deux équations fondamentales qui régissent un tel système sont:

Le terme de couplage électromécanique A vaut ici E⁰/x ⁰, où E⁰ désigne la tension de polarisation fixe et x ⁰ la distance entre les armatures au repos.

Principes piézo-électrique et magnétostrictif

On utilise, pour réaliser des transducteurs électromécaniques, la propriété que présentent certains corps de se rétracter ou de se dilater sous l’effet d’un champ électrique, ou inversement de développer des charges électriques proportionnelles aux pressions mécaniques que l’on exerce sur eux: c’est le phénomène de piézo-électricité découvert en 1880 par les frères Jacques et Pierre Curie. De même, certains métaux ferromagnétiques présentent, à l’égard d’un champ magnétique, des propriétés absolument analogues aux précédentes. Il s’agit alors de la magnétostriction, découverte en 1847 par James Prescott Joule. Dans un cas comme dans l’autre, il s’agit de phénomènes essentiellement réversibles: le transducteur est capable d’effectuer aussi bien la transformation d’énergie électrique en énergie mécanique (ou acoustique) que la transformation inverse.

Principes non réversibles

Le microphone le plus répandu dans le monde jusqu’à la fin des années soixante-dix, et l’un des plus anciens, à savoir le microphone «à charbon» du combiné téléphonique de modèle courant, fonctionne, lui, selon un principe non réversible, celui du «contact imparfait» entre des particules de charbon («grenaille») remplissant un volume clos par la membrane. La pression exercée par celle-ci sur les particules de charbon sous l’effet de la pression acoustique fait varier les résistances de contact entre ces particules et, par conséquent, la résistance globale de l’ensemble, laquelle est insérée dans un circuit alimenté par une source de courant continu (fig. 2). Le courant qui traversait le circuit se trouve donc modulé au rythme du signal sonore. Il est clair que ce principe n’est pas réversible.

Un nouveau type de transducteur fonctionne de façon tout à fait analogue, mais à une échelle très différente, microscopique: il s’agit des transducteurs à semi-conducteurs. Certains cristaux semi-conducteurs présentent une résistance électrique qui varie en fonction de la pression mécanique que l’on exerce sur eux. Cette intéressante propriété était déjà utilisée pour la réalisation de jauges de contraintes mécaniques et, ultérieurement, de lecteurs phonographiques. Elle est maintenant largement utilisée dans le domaine des microphones. Mais, là encore, l’effet produit étant une variation de résistance électrique, ce principe n’est pas réversible.

3. Microphones

Les microphones sont des transducteurs électro-acoustiques destinés à transformer l’énergie acoustique en énergie électrique, mais cette définition n’est pas suffisante: il faut ajouter que ce sont des capteurs, c’est-à-dire des appareils destinés exclusivement à opérer comme des sondes. On place un capteur en un point bien déterminé de l’espace pour savoir ce qui se passe en ce point; mais, idéalement, il faudrait que le fait de placer le capteur en ce point ne modifie en rien les phénomènes qui s’y produisent; cela exige deux conditions:

– que le capteur ne prélève qu’une part tout à fait négligeable de l’énergie contenue dans l’espace étudié;

– que sa présence ne perturbe pas la forme des phénomènes physiques observés.

La première de ces deux conditions est aisément remplie par le microphone. La deuxième, par contre, est infiniment plus difficile à satisfaire, et c’est là le problème essentiel du microphone: par sa seule présence matérielle, il perturbe notablement la forme des ondes acoustiques en son voisinage, de sorte qu’il est évidemment impossible, en toute rigueur, de savoir ce qui se passait au point considéré avant que l’on n’y place le microphone: c’est le phénomène de diffraction.

La diffraction

Le phénomène de diffraction en acoustique présente évidemment des analogies profondes avec le phénomène connu sous le même nom en optique. Toutefois, là aussi, la différence fondamentale entre l’optique et l’acoustique réside dans le double fait suivant: en optique visible, la gamme des longueurs d’onde est restreinte à une octave alors que, en acoustique, elle s’étend sur dix octaves; en optique, les longueurs d’onde sont toujours infiniment petites par rapport aux dimensions géométriques des obstacles matériels rencontrés, alors que, en acoustique, c’est exactement le contraire: les longueurs d’onde des sons audibles sont soit plus grandes, soit – c’est même le cas le plus fréquent – du même ordre de grandeur que les dimensions des obstacles matériels rencontrés. Si les phénomènes de diffraction sont donc analogues dans leur principe, on conçoit que les lois pratiques qui les régissent soient assez différentes.

Ainsi, les effets de diffraction en acoustique restent négligeables tant que la longueur d’onde du son reste supérieure à dix fois la plus grande dimension du corps matériel considéré.

Les équations de la diffraction conduisent à considérer qu’un corps matériel placé dans le champ d’ondes acoustiques se comporte comme une source sonore fictive qui crée son propre champ acoustique, et c’est la superposition de ces deux champs, incident et diffracté, qui crée le champ acoustique résultant.

L’hypothèse de base qui sert au calcul d’un champ diffracté est, dans son principe, très simple; c’est une condition aux limites imposée au champ acoustique par la mécanique des fluides. On écrit que, au voisinage immédiat de la surface d’un corps solide, les particules du fluide – ici, en général, l’air – ne peuvent se déplacer que tangentiellement à cette surface. Cela étant, le calcul théorique des effets de diffraction, qui doit tenir compte à la fois de la forme et de l’angle d’incidence des ondes acoustiques incidentes d’une part, de la forme et des dimensions de la surface de l’obstacle d’autre part, devient rapidement inextricable dès que l’on s’écarte de quelques cas très simples.

Partant de l’étude de la diffraction par une petite surface plane rigide élémentaire d S, plusieurs auteurs (lord Rayleigh en 1894, repris par Ballantine en 1928, Stenzel en 1938 et Schwarz en 1943) ont étudié mathématiquement la diffraction produite dans un champ d’ondes progressives sphériques par une sphère. Wiener et Muller (1946,1949) ont étudié également le cas du cylindre et du cube. Les calculs, fort complexes, font intervenir essentiellement des fonctions de Bessel et conduisent à des courbes, vérifiées expérimentalement avec une assez bonne approximation.

Un très grand nombre de microphones sont des cylindres à base circulaire presque parfaits, d’où intérêt particulier porté à l’étude de cette forme. Le résultat essentiel est que les effets de diffraction dépendent au plus haut point de la direction de l’onde incidente (fig. 3). On peut en déduire qu’un microphone – quel qu’en soit par ailleurs le principe de fonctionnement – ne pourra être rigoureusement omnidirectionnel que si ses dimensions restent très petites par rapport aux longueurs d’ondes acoustiques.

Technique

On distingue habituellement deux grandes classes de microphones: les microphones dits «à pression» et ceux dits «à gradient de pression»; une troisième classe est issue des deux premières par combinaison: il s’agit de microphones «mixtes».

Lorsque la membrane d’un microphone est, sur l’une de ses deux faces, isolée de l’air ambiant par une cavité close, elle devient sensible à la variation de pression produite par une onde acoustique tombant sur sa face libre, quelle que soit la direction d’où provient cette onde: on a un microphone à pression, qui est non directionnel par nature, du moins tant que l’on peut négliger les effets de diffraction, c’est-à-dire tant que la longueur d’onde du son incident reste très supérieure aux dimensions de la membrane.

Dans le cas contraire d’une membrane libre sur ses deux faces, la force qui s’exerce sur la membrane, et qui est toujours proportionnelle à la différence de pression instantanée entre les deux faces, est manifestement nulle lorsque la direction de propagation de l’onde acoustique incidente est parallèle au plan de la membrane. Elle est au contraire maximale lorsque cette direction est perpendiculaire à ce plan: on a un microphone à gradient de pression, qui est bidirectionnel par nature, toujours dans l’hypothèse où les effets de diffraction sont négligeables.

Des nécessités pratiques ont conduit à concevoir des microphones qui seraient unidirectionnels. On y est parvenu en combinant ces deux principes, a priori opposés, à l’aide d’artifices basés essentiellement sur des circuits acoustiques à la fois déphaseurs et dissipatifs, qui permettent, par exemple, dans un microphone bidirectionnel au départ, d’atténuer fortement l’influence de l’«onde arrière». Ainsi sont nés les microphones dits «cardioïdes», parce que leurs diagrammes de directivité s’apparentent fortement à ces courbes mathématiques (fig. 4).

4. Haut-parleurs

Parmi les transducteurs électro-acoustiques destinés à transformer de l’énergie électrique en énergie acoustique, on distingue habituellement deux grandes classes: celle des haut-parleurs , appareils conçus pour rayonner dans l’espace de l’énergie acoustique, et celle des écouteurs , appareils conçus seulement pour transmettre directement des sons par l’intermédiaire d’un couplage acoustique étroit entre l’écouteur et le pavillon de l’oreille.

De même que le problème du microphone est dominé par les difficultés dues à la diffraction, le problème du haut-parleur est dominé par les difficultés du rayonnement . On demande au haut-parleur considéré comme un «émetteur sonore» des performances absolument extraordinaires – et d’ailleurs totalement irréalisables, du moins dans l’état actuel de la technique. Il s’agirait en effet de posséder des qualités de rendement, de linéarité et de directivité qui soient non seulement bonnes, mais en outre constantes sur une gamme de fréquences qui s’étend sur près de dix octaves.

Le rayonnement

Les théories du rayonnement prennent toujours pour point de départ l’étude de la source acoustique la plus simple, à savoir la source sphérique ponctuelle ou «sphère pulsante». Une telle source émet en milieu infini des ondes sphériques divergentes qui, si on les observe très loin de la source, tendent à avoir les caractéristiques d’une onde plane.

La source peut être considérée comme ponctuelle si son rayon r est plus petit que/6. Si U désigne la vitesse vibratoire maximale de la surface de la sphère, la pression acoustique p créée à une distance d de la source prend alors la forme:

où c désigne la célérité du son dans le milieu considéré et 福 la masse spécifique de ce milieu.

La source est omnidirectionnelle, et la pression acoustique varie proportionnellement à l’inverse de la distance.

Un des modèles intéressants directement issu de celui-ci est le doublet acoustique que constituent deux sphères pulsantes ponctuelles voisines vibrant en opposition de phase (fig. 5).

À une distance d du doublet, grande à la fois par rapport à et par rapport à l’écart 嗀 des deux sources, le module de la pression sonore créée en milieu infini dans une direction faisant l’angle avec la droite qui joint les sources prend la forme:

La source obtenue est bidirectionnelle; la pression acoustique produite à distance est maximale sur la droite joignant les deux sources et nulle dans leur plan médiateur. En outre, on remarquera que, si cette pression reste, comme dans le cas de la source sphérique simple, proportionnelle à l’inverse de la distance d , elle devient par contre proportionnelle au carré de la fréquence, et non plus à la fréquence.

La théorie du rayonnement de la sphère pulsante ponctuelle, ou celle qui en est déduite de la demi-sphère pulsante ponctuelle, rayonnant dans un demi-espace, permet d’aborder l’étude du rayonnement de sources étendues ayant des formes simples.

On considère ces sources comme formées par une infinité de sources sphériques élémentaires, selon les cas placées sur une ligne ou réparties uniformément sur une surface, et l’on opère par intégration. C’est ainsi, par exemple que l’on peut établir la théorie du piston circulaire plat , qui sert de base à l’étude du rayonnement des haut-parleurs. Un tel piston est supposé essentiellement rigide, c’est-à-dire que toutes les parties de sa surface vibrent en synchronisme rigoureux. On le considère le plus souvent comme placé sur un écran plat infini, et l’on étudie alors son rayonnement dans un demi-espace seulement. Le calcul, effectué notamment par Morse, fait intervenir des fonctions de Bessel et fournit le résultat suivant lorsque l’on considère la pression acoustique produite à grande distance de la source dans une direction faisant l’angle avec l’axe du piston:

On en déduit que, tant que la circonférence du piston est inférieure à la demi-longueur d’onde de son rayonné (2 神 r 麗/2), la partie entre crochets étant alors négligeable, le piston se comporte comme une source ponctuelle: il est omnidirectionnel; mais, lorsque la fréquence croît, il devient de plus en plus directionnel, avec, à partir d’une certaine fréquence (telle que 2 神 r 礪 4 environ), apparition de lobes secondaires (fig. 6).

Haut-parleurs à radiation directe

Les haut-parleurs à radiation directe se composent essentiellement:

– d’un transducteur électromécanique, appelé parfois moteur du haut-parleur;

– d’un transducteur mécano-acoustique, qui est le diaphragme ou la membrane rayonnante;

– d’éléments annexes qui assurent la cohésion mécanique de l’ensemble.

Dans le cas le plus fréquent, celui du haut-parleur électrodynamique à bobine mobile, la membrame – en pâte à papier spéciale, en matière plastique, en métal léger, en matériau composite – affecte la forme d’un tronc de cône de révolution ou à base elliptique, ou encore d’une portion de surface, en général de révolution, à génératrice exponentielle, parabolique ou hyperbolique. Mais d’autres formes de membranes, plus compliquées, ont été essayées parfois et sont employées dans certains cas. Il n’y a évidemment pas de limite à la recherche dans ce domaine.

La bobine mobile est collée à la membrane, et l’ensemble forme l’«équipage mobile», lequel est maintenu au centre de l’entrefer du circuit magnétique par un système de suspension annulaire en général double: la suspension périphérique et le spider. Le circuit magnétique et les suspensions sont rendus solidaires par l’intermédiaire du «saladier», pièce qui permet également la fixation du haut-parleur (fig. 7).

Sauf cas spéciaux, la conception d’un tel haut-parleur est dominée par la nécessité de s’approcher, d’une part, d’un fonctionnement en piston rigide, d’autre part, et simultanément, d’un fonctionnement en source ponctuelle, afin d’avoir une source aussi peu directionnelle que possible.

Il est aisé de voir que cette deuxième exigence conduit rapidement à une impossibilité pratique. En effet, pour que le haut-parleur reste omnidirectionnel jusque dans les fréquences audibles les plus élevées, pour lesquelles la longueur d’onde devient inférieure à 2 cm, il faut que le diamètre de sa membrane soit très inférieur à 1 cm. Mais alors, pour rayonner une puissance notable aux fréquences les plus basses, il faudrait que cette membrane puisse se déplacer avec une amplitude énorme, égale à plusieurs fois son diamètre, ce qui est irréalisable et poserait, en outre, des problèmes théoriques nouveaux (effet Doppler). En réalité, pour rayonner correctement les fréquences les plus basses, on ne peut se passer, en pratique, d’une surface rayonnante de grande dimension. Mais alors, pour qu’une membrane d’une telle surface présente la rigidité d’un piston, elle ne peut guère être qu’assez dense. Or une densité superficielle élevée est incompatible avec un bon rendement...

En bref, il est clair que les haut-parleurs réels ne peuvent être que des compromis plus ou moins heureux entre ces exigences contradictoires. Et l’on peut distinguer, globalement, deux méthodes opposées dans la recherche de ce compromis:

– La première consiste à sacrifier un peu les extrémités du spectre audible. Elle conduit à fabriquer des haut-parleurs dits «à large bande» qui peuvent être excellents dans le milieu du spectre audible, mais qui sont trop petits pour rayonner vraiment bien les fréquences les plus basses et beaucoup trop grands pour ne pas être fortement directionnels dans les fréquences les plus élevées.

– La deuxième consiste à diviser le spectre audible en plusieurs bandes – deux ou trois en général, parfois quatre – et à confier la reproduction de ces diverses bandes à des haut-parleurs spécialisés. Pour chacun de ceux-ci pris séparément, les exigences extrêmes se trouvent ainsi beaucoup moins éloignées, et par conséquent le compromis réalisable est bien meilleur. Mais un problème nouveau se pose: celui de la séparation électrique, puis du raccordement de ces bandes de fréquences pour reconstituer le spectre audible dans son intégralité. La séparation se fait à l’aide de filtres électriques qui peuvent apporter, par ailleurs, des défauts nouveaux. La reconstitution du spectre se fait acoustiquement, et pose notamment des problèmes de directivité qui sont insolubles dans la pratique. On ne peut éviter, en effet, que, dans la bande de fréquences où deux hauts-parleurs spécialisés consécutifs fonctionnent simultanément, il n’y ait des phénomènes d’interférences nuisibles, dus à l’existence des deux sources sonores distinctes séparées par une distance qui n’est pas négligeable, et qui est même bien souvent plus grande que la longueur d’onde du son considéré. On est donc, là encore, conduit à consentir des «sacrifices» sur la directivité, au moins dans certaines portions de l’espace et dans certaines bandes de fréquence.

Haut-parleurs à pavillon

Le rendement, c’est-à-dire le rapport «puissance acoustique rayonnée/puissance électrique absorbée», est très faible pour les haut-parleurs à radiation directe, de l’ordre de quelques centièmes, parfois inférieur à 1 p. 100. La raison en est la forte désadaptation entre les impédances acoustiques des deux milieux en contact: la membrane du haut-parleur et l’air environnant. Cette désadaptation d’impédances est due à la différence entre les masses spécifiques de ces deux milieux. Il existe un moyen d’y remédier partiellement en réalisant une adaptation progressive des deux impédances: il consiste à utiliser la propagation des ondes acoustiques dans un pavillon de forme évasée. La «gorge» du pavillon, de faible section, est placée en contact avec la membrane. La «bouche», de forte section, est la partie qui, à l’autre extrémité, rayonne dans l’air. Si l’évasement du pavillon est bien calculé et, en particulier, si la variation de la section avec la distance lorsque l’on passe de la gorge à la bouche se fait selon une loi exponentielle, les lois de la propagation des ondes acoustiques montrent que tout se passe comme si la masse d’air contenue dans un volume élémentaire ayant la section de la bouche se trouvait concentrée dans la gorge, autrement dit comme si l’air contenu dans le pavillon devenait de plus en plus dense au fur et à mesure que l’on se rapproche de la gorge. On réalise donc bien ainsi, partiellement, une adaptation d’impédance, et le rendement d’un bon haut-parleur à pavillon est de 30 à 50 p. 100. Mais ce fonctionnement idéal du pavillon n’a lieu que pour les fréquences supérieures à une fréquence limite appelée fréquence de coupure basse du pavillon, qui est déterminée essentiellement par la surface de la bouche et par la constante m caractérisant la croissance de la section du pavillon.

Pour des raisons techniques, on obtient des haut-parleurs à pavillon un rendement optimal lorsque l’on utilise une membrane de haut-parleur de section nettement supérieure à celle de la gorge. Le couplage acoustique nécessaire entre la membrane et la gorge est alors réalisé au moyen d’une cavité de faible profondeur appelée chambre de compression (fig. 8).

Baffles et enceintes acoustiques

Aux très basses fréquences, un haut-parleur à radiation directe peut être considéré comme une source ponctuelle, mais évidemment pas comme une sphère pulsante. En réalité, il est facile de montrer que le rayonnement d’un piston plat sans écran, rayonnant par conséquent dans tout l’espace, est assimilable aux fréquences basses à celui du doublet ou dipôle acoustique, constitué par deux sphères pulsantes ponctuelles séparées par une distance 嗀 et vibrant en opposition de phase. En effet, un déplacement positif du piston produit une surpression, sur sa face avant par exemple, mais il produit alors sur sa face arrière une dépression de même amplitude. Cette surpression et cette dépression se propagent toutes deux dans l’air avec la vitesse du son, et l’on retrouve aussitôt les propriétés essentielles du doublet indiquées plus haut. On est en présence d’une source bidirectionnelle, qui ne rayonne aucune énergie dans son plan, mais pour laquelle, en outre, la pression sonore croît proportionnellement au carré de la fréquence. La puissance rayonnée est très faible lorsque la longueur d’onde est nettement supérieure au diamètre de la membrane, car il se produit alors, entre les deux «sphères pulsantes» virtuelles qui la représentent, un véritable court-circuit acoustique.

C’est la nécessité d’annuler, ou tout au moins de réduire, les effets de ce court-circuit qui a conduit les techniciens à imaginer des systèmes permettant de séparer totalement ou partiellement le rayonnement de la face avant du haut-parleur de celui de sa face arrière: simples écrans de plus ou moins grandes dimensions, et qui sont alors appelés baffles , ou véritables boîtes, appelées enceintes acoustiques . Celles-ci peuvent être totalement closes ou comporter une ou plusieurs ouvertures, auquel cas il s’agit d’enceintes résonnantes.

Écouteurs

Hormis le problème spécifique du rayonnement, tous les principes qui régissent le fonctionnement d’un haut-parleur sont applicables – moyennant éventuellement quelques adaptations – au cas des écouteurs. Ainsi, en particulier, les principes de traduction électromécanique utilisés sont les mêmes. Toutefois, alors que les haut-parleurs courants utilisent tous le principe électrodynamique, c’est le principe électromagnétique qui est le plus répandu dans le domaine des écouteurs; c’est en particulier le cas des écouteurs téléphoniques classiques. Ce choix a été dicté jusqu’à présent par des considérations de simplicité de fabrication, de robustesse et de prix de revient. Néanmoins, les autres principes, et en particulier le principe électrodynamique, sont de plus en plus fréquemment utilisés, notamment dès que l’on recherche une certaine qualité. Enfin, dans le domaine de la très haute fidélité, ce principe électrodynamique est lui-même supplanté par le principe électrostatique pour les écouteurs de grande qualité.

L’écouteur étant couplé directement à l’oreille, on peut considérer en première approximation, et dans une très large gamme de fréquences, que l’onde acoustique émise et l’onde reçue par le tympan ont même amplitude: il n’y a pas d’affaiblissement de propagation. Aussi la puissance acoustique requise de l’écouteur est-elle dérisoire, contrairement à ce qui se passe dans le cas des haut-parleurs. De même, les problèmes de directivité ne se posent évidemment pas. Par contre, pour les écouteurs tout comme pour les haut-parleurs, c’est la restitution correcte des fréquences basses qui pose un des problèmes les plus délicats. Ici, ce n’est plus à proprement parler l’effet de «doublet» qui est à craindre, mais la diminution du couplage lorsque la fréquence décroît. Les fuites inévitables dans la cavité formée par l’écouteur et le pavillon de l’oreille introduisent en effet une perte qui croît très vite lorsque la fréquence diminue, ce qui se traduit par un affaiblissement des fréquences basses et une augmentation de la distorsion à ces fréquences. Dans le cas des écouteurs de qualité, on y remédie en maintenant un couplage suffisant à l’aide de joints souples qui, appliqués contre le pavillon de l’oreille avec une certaine pression, colmatent les fuites.

électroacoustique ou électro-acoustique

n. f. et adj. Science et technique des applications de l'électricité à la production, à l'enregistrement et à la reproduction des sons.

|| adj. Techniques électroacoustiques (ou électro-acoustiques). Musique électroacoustique, qui applique les méthodes de l'électroacoustique à la synthèse ou à la déformation des sons.

électro-acoustique ou électroacoustique [elɛktʀoakustik] adj. et n. f.

ÉTYM. 1904, adj., in Rev. gén. des sc., n^o 16, p. 758; de électro- et acoustique.

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♦ Technique.

1 Adj. Relatif à l'électro-acoustique; produit par ses méthodes. || Musique électro-acoustique. || Studios électro-acoustiques de Gravesano, fondés par Scherchen en 1954. — Chaîne électro-acoustique : système de circuits qui transmet un signal sonore de la prise de son (microphone) à sa restitution (haut-parleur). || Appareils électro-acoustiques.

2 N. f. (1948). Étude et technique de la production, de l'enregistrement, de la transmission et de la restitution du son par des procédés électriques (→ Écouteur, enregistrement, haute-fidélité, haut-parleur, microphone). || Amateur d'électro-acoustique. ⇒ Audiophile.

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DÉR. Électro-acousticien.

Encyclopédie Universelle. 2012.