ÉTUDE ACOUSTIQUE

Choix d’un Microphone pour l’Enregistrement

Choix d'un Microphone pour une Application

Choix d'un Microphone pour l'Enregistrement d'un Podcast

Comprendre le Choix d'un Microphone

En électroacoustique, le microphone est le premier maillon de la chaîne d'enregistrement. Son choix est déterminant pour la qualité finale de la prise de son. Deux caractéristiques fondamentales guident cette décision : la sensibilité, qui définit le niveau de tension de sortie pour une pression acoustique donnée, et la directivité (ou diagramme polaire), qui décrit comment la sensibilité du microphone varie en fonction de l'angle d'incidence du son. Un mauvais choix peut entraîner un signal faible, la captation excessive de bruits ambiants ou de la réverbération de la pièce. Cet exercice vise à comparer deux microphones pour une application de podcast afin de déterminer le plus approprié en se basant sur le rapport signal sur bruit (SNR).

Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre un arbitrage classique en prise de son : le choix entre une captation large qui peut sembler plus "naturelle" (omnidirectionnel) et une captation ciblée qui permet de rejeter les bruits indésirables (cardioïde). Le calcul du rapport signal sur bruit permet de quantifier objectivement l'avantage d'une directivité adaptée au contexte.

Données de l'étude

On souhaite enregistrer la voix d'un animateur de podcast. L'environnement d'enregistrement n'est pas parfait : un ordinateur bruyant est situé sur le côté.

Conditions de l'enregistrement et sources sonores :

  • Voix de l'animateur (source utile) : Arrive en face du microphone (angle = 0°), avec un niveau de pression acoustique moyen \(SPL_{\text{S}} = 74 \, \text{dB}\).
  • Bruit du ventilateur d'ordinateur (source de bruit) : Arrive sur le côté du microphone (angle = 90°), avec un niveau de pression acoustique \(SPL_{\text{N}} = 40 \, \text{dB}\).
  • Pression de référence : \(P_{\text{ref}} = 20 \, \mu\text{Pa}\) (correspond à 0 dB SPL).

Microphone A : Condensateur Omnidirectionnel

  • Sensibilité \(S_{\text{A}}\) : \(20 \, \text{mV/Pa}\)
  • Diagramme polaire normalisé : \(D_{\text{A}}(\theta) = 1\) (capte le son uniformément dans toutes les directions).

Microphone B : Condensateur Cardioïde

  • Sensibilité \(S_{\text{B}}\) : \(20 \, \text{mV/Pa}\)
  • Diagramme polaire normalisé : \(D_{\text{B}}(\theta) = 0.5 + 0.5 \cos(\theta)\) (privilégie les sons venant de l'avant).
Schéma de la Scène d'Enregistrement
Micro 😀 Animateur (SPL = 74 dB) Source (Angle = 0°) 💻 Bruit (SPL = 40 dB) Bruit (Angle = 90°)
Graphique : Diagrammes Polaires des Microphones

Questions à traiter

  1. Calculer la pression acoustique \(P\) en Pascals (\(\text{Pa}\)) pour la source utile (animateur) et pour la source de bruit (ordinateur).
  2. Pour chaque microphone (A et B), calculer la tension de sortie \(V_{\text{S}}\) générée par la voix de l'animateur.
  3. Pour chaque microphone, calculer la tension de sortie \(V_{\text{N}}\) générée par le bruit de l'ordinateur, en tenant compte de la directivité.
  4. Calculer le rapport signal sur bruit \(\text{SNR}\) en décibels (\(\text{dB}\)) pour chaque microphone.
  5. Comparer les performances et justifier quel microphone est le plus adapté pour cette application.

Correction : Choix d'un Microphone pour l'Enregistrement d'un Podcast

Question 1 : Pression Acoustique (\(P\))

Principe :

Le niveau de pression acoustique (SPL en dB) est une échelle logarithmique. Pour effectuer des calculs de tension, il faut d'abord le convertir en une échelle linéaire de pression, le Pascal (Pa), en utilisant la pression de référence \(P_{\text{ref}} = 20 \, \mu\text{Pa}\).

Remarque Pédagogique : L'oreille humaine perçoit des pressions sur une échelle immense (de \(20 \mu\text{Pa}\) à plus de \(20 \text{Pa}\)). L'échelle des décibels (dB) compresse cette plage pour la rendre plus maniable. C'est pourquoi on l'utilise partout en audio, mais pour les calculs physiques (comme obtenir une tension), nous devons toujours revenir à l'unité linéaire : le Pascal.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P = P_{\text{ref}} \times 10^{\frac{\text{SPL}}{20}} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{S}} &= (20 \times 10^{-6} \, \text{Pa}) \times 10^{\frac{74}{20}} \\ &\approx 0.1 \, \text{Pa} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} P_{\text{N}} &= (20 \times 10^{-6} \, \text{Pa}) \times 10^{\frac{40}{20}} \\ &= 0.002 \, \text{Pa} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La pression de la voix est \(P_{\text{S}} \approx 0.1 \, \text{Pa}\) et celle du bruit est \(P_{\text{N}} = 0.002 \, \text{Pa}\).

Question 2 : Tension de Sortie pour la Source Utile (\(V_{\text{S}}\))

Principe :

La tension de sortie est le produit de la sensibilité du microphone (en V/Pa) et de la pression acoustique (en Pa). La source utile étant en face (angle = 0°), les deux microphones captent avec leur sensibilité maximale (\(D(0^\circ)=1\)). Leurs sensibilités axiales étant identiques, les tensions de sortie pour la source seront les mêmes.

Remarque Pédagogique : La sensibilité indiquée sur la fiche technique d'un microphone (ici \(20 \, \text{mV/Pa}\)) est presque toujours sa sensibilité "dans l'axe" (à 0°). C'est la valeur de référence. Pour toute autre direction, cette sensibilité sera modifiée par la directivité, comme nous le verrons à la prochaine étape.

Calcul :

Microphone A (Omni) & B (Cardio) :

\[ \begin{aligned} V_{\text{S,A}} = V_{\text{S,B}} &= S \times P_{\text{S}} \\ &= (20 \times 10^{-3} \, \text{V/Pa}) \times 0.1 \, \text{Pa} \\ &= 0.002 \, \text{V} \\ &= 2 \, \text{mV} \end{aligned} \]
Résultat : Les deux microphones génèrent une tension de \(V_{\text{S}} = 2 \, \text{mV}\) pour la voix de l'animateur.

Quiz Intermédiaire 1 : Dans cet exercice, pourquoi les deux microphones produisent-ils la même tension de sortie (2 mV) pour la source utile (la voix) ?

Question 3 : Tension de Sortie pour le Bruit (\(V_{\text{N}}\))

Principe :

Ici, la directivité est cruciale. Le bruit provient d'un angle de 90°. Il faut calculer la sensibilité effective de chaque microphone dans cette direction en utilisant leur diagramme polaire \(D(\theta)\), puis calculer la tension de sortie.

Remarque Pédagogique : On voit ici l'effet de "rejet" du microphone cardioïde. Alors que l'omnidirectionnel capte le bruit latéral avec une sensibilité intacte, le cardioïde l'atténue de 6 dB (sa sensibilité est réduite de moitié). C'est la fonction principale d'un microphone directionnel : isoler la source désirée.

Calcul :

Microphone A (Omni) :

\[ D_{\text{A}}(90^\circ) = 1 \]
\[ \begin{aligned} V_{\text{N,A}} &= S_{\text{A}} \times D_{\text{A}}(90^\circ) \times P_{\text{N}} \\ &= (20 \times 10^{-3}) \times 1 \times 0.002 \\ &= 40 \times 10^{-6} \, \text{V} \\ &= 40 \, \mu\text{V} \end{aligned} \]

Microphone B (Cardioïde) :

\[ \begin{aligned} D_{\text{B}}(90^\circ) &= 0.5 + 0.5 \cos(90^\circ) \\ &= 0.5 \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} V_{\text{N,B}} &= S_{\text{B}} \times D_{\text{B}}(90^\circ) \times P_{\text{N}} \\ &= (20 \times 10^{-3}) \times 0.5 \times 0.002 \\ &= 20 \times 10^{-6} \, \text{V} \\ &= 20 \, \mu\text{V} \end{aligned} \]
Résultat : Le micro A génère \(V_{\text{N,A}} = 40 \, \mu\text{V}\) de bruit, tandis que le micro B n'en génère que \(V_{\text{N,B}} = 20 \, \mu\text{V}\).

Question 4 : Rapport Signal sur Bruit (\(\text{SNR}\))

Principe :

Le rapport signal sur bruit (Signal-to-Noise Ratio) compare le niveau du signal utile (la voix) au niveau du signal de bruit. Il est calculé en décibels à partir du rapport des tensions de sortie.

Remarque Pédagogique : Que signifie un gain de 6 dB de SNR ? En perception sonore, une augmentation de 6 dB correspond à un doublement de la pression acoustique perçue. Un gain de 6 dB sur le SNR signifie donc que le signal utile est perçu comme étant "deux fois plus propre" par rapport au bruit. C'est une amélioration très significative et facilement audible.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{SNR} = 20 \log_{10}\left(\frac{V_{\text{S}}}{V_{\text{N}}}\right) \]
Calcul :

Microphone A (Omni) :

\[ \begin{aligned} \text{SNR}_{\text{A}} &= 20 \log_{10}\left(\frac{V_{\text{S}}}{V_{\text{N,A}}}\right) \\ &= 20 \log_{10}\left(\frac{2 \times 10^{-3}}{40 \times 10^{-6}}\right) \\ &= 20 \log_{10}(50) \\ &\approx 34 \, \text{dB} \end{aligned} \]

Microphone B (Cardioïde) :

\[ \begin{aligned} \text{SNR}_{\text{B}} &= 20 \log_{10}\left(\frac{V_{\text{S}}}{V_{\text{N,B}}}\right) \\ &= 20 \log_{10}\left(\frac{2 \times 10^{-3}}{20 \times 10^{-6}}\right) \\ &= 20 \log_{10}(100) \\ &= 40 \, \text{dB} \end{aligned} \]
Résultat : Le SNR est de \(34 \, \text{dB}\) pour le microphone A et de \(40 \, \text{dB}\) pour le microphone B.

Quiz Intermédiaire 2 : Le microphone B (Cardioïde) a un meilleur SNR de +6 dB par rapport au microphone A (Omni). À quoi est dû ce gain ?

Question 5 : Comparaison et Choix du Microphone

Tableau Récapitulatif des Performances
Caractéristique Microphone A (Omni) Microphone B (Cardioïde)
Tension Utile (\(\text{mV}\)) 2.0 2.0
Tension Bruit (\(\mu\text{V}\)) 40.0 20.0
Rapport Signal/Bruit (\(\text{dB}\)) 34 40
Analyse Comparative et Conclusion :

Les deux microphones produisent le même niveau de signal pour la source utile car leurs sensibilités axiales sont identiques. Cependant, le microphone B (Cardioïde) rejette beaucoup plus efficacement le bruit provenant du côté. Sa tension de bruit est deux fois plus faible, ce qui se traduit par un gain de \(6 \, \text{dB}\) sur le rapport signal sur bruit final (passant de 34 dB à 40 dB).

Pour une application de podcast où l'objectif est d'isoler la voix de l'animateur et de minimiser les bruits ambiants, le microphone B (Cardioïde) est clairement le meilleur choix. Il offre un enregistrement plus propre et plus intelligible, nécessitant moins de post-traitement pour réduire le bruit.

Simulation Interactive

Utilisez les contrôles ci-dessous pour explorer comment la directivité et la position du bruit affectent le rapport signal sur bruit.

Paramètres de Simulation
Résultats en Temps Réel
Tension Utile (Voix)
Atténuation du bruit
Tension du Bruit
SNR Résultant :

Hypothèse : Voix de l'animateur toujours à 0° / 74 dB SPL.

Pour Aller Plus Loin : Scénarios de Réflexion

Et si l'on enregistrait une interview avec deux personnes face à face ?

Un microphone cardioïde serait inefficace car il rejetterait la personne à l'arrière (180°). Un microphone bidirectionnel (ou "figure en 8"), avec un diagramme polaire \(D(\theta) = \cos(\theta)\), serait idéal car il capte parfaitement à l'avant (0°) et à l'arrière (180°) tout en rejetant les côtés (90°). Une autre solution serait d'utiliser deux microphones cardioïdes, un pour chaque personne.

Et si l'on voulait enregistrer l'ambiance d'une salle de concert ?

Dans ce cas, le but n'est plus d'isoler une source mais de capturer un son d'ensemble, y compris la réverbération de la salle qui donne une sensation d'espace. Le microphone A (Omnidirectionnel) serait alors un excellent choix car il capte le son de manière uniforme, offrant un rendu plus naturel et immersif de l'ambiance globale.

Foire Aux Questions (FAQ)

Qu'est-ce que le "bruit propre" (self-noise) d'un microphone ?

C'est le signal électrique généré par le microphone lui-même, même en l'absence de tout son. Il est dû à l'agitation thermique des électrons dans ses composants. Ce bruit propre définit le niveau de son le plus faible qu'un micro peut capter sans que ce dernier soit masqué par son propre bruit. Il est exprimé en \(\text{dB SPL (A)}\).

Qu'est-ce que l'effet de proximité ?

C'est un phénomène propre aux microphones directionnels (comme les cardioïdes) qui provoque une augmentation de la réponse dans les basses fréquences lorsque la source sonore est très proche du microphone. C'est ce qui donne une voix chaude et grave à la radio, mais peut aussi rendre le son "boueux" s'il est excessif.

Pourquoi les sensibilités sont-elles souvent exprimées en dBV/Pa ?

Exprimer la sensibilité en décibels (par rapport à 1 Volt par Pascal) est courant car cela permet de comparer plus facilement les microphones et de les intégrer dans les calculs de la chaîne du signal (préampli, table de mixage), où les gains sont également exprimés en \(\text{dB}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. Un microphone cardioïde est le moins sensible aux sons provenant de :

2. Si l'on augmente la sensibilité d'un microphone (ex: de 10 mV/Pa à 20 mV/Pa), pour la même source sonore :

3. Pour enregistrer un chœur ou un orchestre en captant l'acoustique de la salle, on privilégiera un couple de microphones :

Glossaire

Sensibilité (Microphone)
Rapport entre la tension électrique de sortie et la pression acoustique d'entrée. Exprimée en Volts par Pascal (\(\text{V/Pa}\)) ou en décibels (\(\text{dBV/Pa}\)). Une sensibilité plus élevée fournit un signal plus fort pour un même son.
Directivité / Diagramme Polaire
Caractéristique qui décrit la variation de la sensibilité d'un microphone en fonction de la direction d'où provient le son. Les diagrammes courants sont omnidirectionnel, cardioïde, et bidirectionnel.
Rapport Signal sur Bruit (SNR)
Mesure en décibels (\(\text{dB}\)) qui compare le niveau du signal désiré au niveau du bruit de fond. Un SNR élevé indique un signal "propre", où le son utile est bien plus fort que le bruit.
SPL (Sound Pressure Level)
Niveau de pression acoustique, une mesure logarithmique de la pression effective d'un son par rapport à une valeur de référence (\(20 \, \mu\text{Pa}\)).
Cardioïde
Diagramme polaire en forme de cœur. Le microphone est le plus sensible à l'avant et rejette au maximum les sons provenant de l'arrière, ce qui le rend idéal pour isoler une source.
Choix d'un Microphone - Exercice d'Application
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