Guide complet des microphones à condensateur électret

En matière de technologies audio, les microphones à condensateur électret (ECM) constituent une solution classique mais robuste pour la capture du son, offrant fiabilité et adaptabilité dans un large éventail d'applications. Tandis que les microphones MEMS gagnent en popularité du fait de leur conception facile à intégrer et de leur empreinte compacte, les ECM restent pertinents dans les conceptions électroniques en raison de leurs diverses configurations de montage, de leurs diagrammes directionnels très variés et de leur polyvalence acoustique.

Cet article examine les principes de fonctionnement des ECM, leurs circuits internes et leur réponse directionnelle, des diagrammes omnidirectionnels pour une capture étendue du son ambiant aux configurations unidirectionnelles pour un isolement acoustique ciblé. Des mesures de performances critiques, telles que la sensibilité, le rapport signal/bruit (SNR) et la réponse en fréquence, sont également explorées pour une sélection appropriée des composants.

Principes de base des microphones à condensateur électret

Les microphones à condensateur électret (ECM) fonctionnent à l'aide d'un électret — un matériau ferroélectrique polarisé ou chargé électriquement en permanence. La haute résistance électrique et la haute stabilité chimique de l'électret garantissent que la charge embarquée reste intacte pendant des centaines d'années sans dégradation significative. Le terme « électret » est dérivé des termes « électrostatique » et « aimant », reflétant le processus par lequel une charge statique est intégrée dans le matériau. Ce résultat est obtenu en alignant les charges statiques dans l'électret, de la même manière que les domaines magnétiques sont alignés pour créer un aimant.

Cette propriété inhérente confère un avantage significatif dans la conception des microphones. Contrairement aux microphones à condensateur traditionnels, qui requièrent une tension de polarisation externe pour fonctionner, la charge statique intégrée de l'électret élimine ce besoin. Cette simplification réduit la complexité de la conception des circuits et permet aux ECM de fonctionner efficacement dans les applications compactes et basse consommation, ce qui en fait un choix intéressant pour une variété de systèmes audio.

Le principe de fonctionnement d'un microphone à condensateur électret repose sur le fait que le diaphragme agit comme une plaque du condensateur, tandis que la plaque arrière agit comme l'autre plaque. Lorsque les ondes sonores font vibrer le diaphragme, la distance entre le diaphragme et la plaque arrière change, ce qui entraîne des variations de capacité. Ces changements sont déterminés par l'équation de capacité :

C = Q / V

Où :

• Q = charge en coulombs (reste constante en raison de la charge embarquée de l'électret)
• C = capacité en farads
• V = différence de potentiel en volts

Lorsque la capacité (C) change en raison du mouvement du diaphragme, une variation inversement proportionnelle de la tension (V) aux bornes du condensateur se produit, générant un signal électrique qui correspond aux vibrations sonores.

Cette tension variable est ensuite transmise à un transistor à effet de champ (FET) dans le microphone, qui amplifie le signal pour une meilleure transmission. Un condensateur de blocage CC au niveau de l'étage de sortie supprime tout décalage CC indésirable, garantissant que la sortie est un signal audio propre. Grâce à cette conception simple mais efficace, les ECM constituent un choix fiable pour capturer le son dans diverses applications électroniques.

Figure 1 : Principe de fonctionnement d'un ECM. (Source de l'image : Same Sky)

La structure typique d'un microphone à condensateur électret inclut plusieurs composants clés :

• Toile non tissée : protège de la poussière tout en laissant passer le son
• Boîtier : abrite et protège les composants internes
• Bague polaire : met en évidence le matériau électret appliqué au diaphragme
• Diaphragme : vibre en réponse au son, modifiant la capacité
• Entretoise : maintient la distance entre le diaphragme et la plaque arrière
• Plaque arrière : forme l'électrode fixe du condensateur
• Base : fournit le support structurel
• Bague en cuivre : garantit la conductivité et les connexions électriques
• Circuit imprimé : abrite le FET et autres circuits pour l'amplification des signaux

Les structures démontée et assemblée d'un ECM sont illustrées dans les figures ci-dessous.

Figure 2 : Vue éclatée d'un ECM. (Source de l'image : Same Sky)

Figure 3 : Vue assemblée d'un ECM. (Source de l'image : Same Sky)

Diagrammes directionnels ou polaires d'un ECM

Les microphones à condensateur électret sont disponibles dans différents diagrammes directionnels ou polaires, définissant la manière dont ils capturent le son provenant de différentes directions. La directionnalité est une spécification critique et doit être choisie en fonction des exigences d'application et d'utilisation. Les diagrammes directionnels ECM les plus courants sont omnidirectionnels (Figure 4), unidirectionnels (Figure 5) et antibruit (Figure 6).

Figure 4 : Diagramme polaire omnidirectionnel. (Source de l'image : Same Sky)

Les microphones omnidirectionnels captent le son dans toutes les directions, ce qui les rend parfaitement adaptés aux applications telles que l'enregistrement de groupes de chanteurs ou la tenue de téléconférences. Le modèle de prise de son est généralement illustré dans un diagramme, où 0° représente l'avant du microphone et où l'intensité sonore est représentée radialement de 0° à 360°. Bien que polyvalents, ces microphones présentent un inconvénient : ils ne peuvent pas faire la distinction entre les sons souhaités et le bruit ambiant, et captent et amplifient souvent les sons environnementaux.

Figure 5 : Diagramme polaire unidirectionnel. (Source de l'image : Same Sky)

Les microphones unidirectionnels sont conçus pour capturer le son principalement dans une seule direction, réduisant ainsi les bruits de fond indésirables tels que les conversations, le clic des touches de clavier ou les bruissements de papier. Ils sont donc particulièrement adaptés aux applications vocales, où il est essentiel d'isoler la source sonore souhaitée. Le diagramme unidirectionnel le plus courant, illustré à la Figure 5, présente une large zone de captation avec une réjection maximum à 180° hors axe.

Figure 6 : Diagramme polaire de suppression du bruit. (Source de l'image : Same Sky)

Un microphone antibruit, ou microphone bidirectionnel, est conçu pour filtrer le bruit ambiant tout en ciblant une source sonore souhaitée, ce qui le rend idéal pour les environnements bruyants. Ces microphones sont dotés d'au moins deux ports audio : l'un orienté vers le son souhaité et l'autre vers un bruit plus éloigné. Les sons proches créent un gradient de pression plus important sur le diaphragme, ce qui permet de mieux capter le son souhaité. L'effet de proximité est ajusté pour garantir une réponse en fréquence plate pour les sons proches du port avant, tandis que les sons provenant d'autres angles subissent un affaiblissement significatif des médiums et des graves. Les applications courantes incluent les centres d'appels, les casques d'hélicoptère et les systèmes de communication des pilotes de voitures de course.

Spécifications clés des ECM

Outre la directionnalité de l'ECM, d'autres paramètres doivent être pris en compte lors de la sélection des composants :

• Réduction de la sensibilité : perte de gain subie lorsque la tension d'alimentation du microphone diminue.
• Sensibilité : mesure la capacité d'un microphone à détecter le son. Une haute sensibilité permet de capter les sons plus faibles ou distants avec une amplification moindre, ce qui réduit le bruit. Cette propriété permet de déterminer l'adéquation du microphone à des applications telles que l'enregistrement de musique ou l'utilisation en environnements bruyants.
• Rapport signal/bruit (SNR) : représente le rapport entre le son désiré (par exemple, parole ou musique) et le bruit de fond capturé par le microphone, indiquant la clarté audio globale.
• Styles de montage : les configurations les plus courantes pour le montage des ECM sont les broches de circuits imprimés, les fils conducteurs avec ou sans connecteur et les types de terminaisons. La configuration de terminaison peut être définie plus en détail comme le montage en surface pour la soudure par refusion ou les pastilles de soudure pour la soudure manuelle.

Conclusion

Les microphones à condensateur électret restent indispensables dans les technologies audio modernes, car ils offrent une capture précise du son et des capacités directionnelles polyvalentes. Grâce à leur fiabilité et à leur adaptabilité, ils sont essentiels dans de nombreuses applications. La compréhension de leur fonctionnement et de leurs spécifications clés aide les utilisateurs à sélectionner le microphone adapté à leurs besoins. Découvrez la gamme complète de microphones et de services de conception audio de Same Sky pour des solutions sur mesure.