Le guide complet des microphones à condensateur à électret
Avez-vous déjà utilisé un microphone sur un appareil électronique? en studio ou sur film, il s’agissait très probablement d’un microphone à condensateur à électret. Ces microphones sont courants dans notre vie de tous les jours et il vaut la peine de les connaître.
Qu’est-ce qu’un microphone à condensateur électret? Un ECM est un type de transducteur de microphone à condensateur, ce qui signifie qu’il fonctionne sur des principes électrostatiques. Les capsules de microphone à condensateur fonctionnent essentiellement comme des condensateurs et nécessitent une charge, qui est fournie presque en permanence par un matériau électret(un portemanteau d’électrique et d’aimant) dans la capsule.
Dans ce guide complet, nous définirons plus en détail les microphones à condensateur à électret(ECM), en examinant leurs caractéristiques de conception ; Comment ils travaillent; leurs applications et, bien sûr, quelques exemples de microphones à électret.
Qu’est-ce qu’un microphone à condensateur électret?
Un microphone à condensateur électret, comme son nom l’indique, est un type de microphone à condensateur.
La principale différence entre un ECM et un microphone à condensateur «normal» est la méthode dans laquelle la capsule à condensateur du microphone est polarisée(chargée).
Comme nous le verrons dans la section suivante, comment fonctionnent les microphones à condensateur à électret? Les capsules de condensateur agissent comme des condensateurs à plaques parallèles et nécessitent une charge fixe sur leurs plaques pour fonctionner correctement.
La tension de polarisation qui provoque une charge fixe sur les plaques est généralement fournie par des moyens externes(généralement via une alimentation fantôme ou une alimentation externe avec des FET et des condensateurs à tube, respectivement).
Cependant, il existe une autre méthode pour alimenter les plaques avec une charge fixe et c’est, comme vous l’avez probablement deviné, l’ajout de matériau électret dans la conception de la capsule.
Par conséquent, les microphones à condensateur à électret utilisent un matériau à électret dans leurs diaphragmes pour maintenir une charge «quasi-permanente» sur leurs plaques. Cela libère des ressources afin que les méthodes d’alimentation puissent être utilisées plus efficacement pour alimenter les convertisseurs d’impédance, les cartes de circuits imprimés et d’autres composants actifs à l’intérieur du microphone.
Qu’est-ce que le matériau Electret?
Alors, quel est ce matériau magique à électret chargé en permanence dont nous avons parlé?
Le matériau électret est tout matériau diélectrique qui a une charge électrique ou une polarisation dipolaire presque permanente. Ces matériaux génèrent des champs électriques internes et externes permanents et peuvent être utilisés efficacement pour charger d’autres composants électriques, tels que des condensateurs.
Comme mentionné, le terme «électret» vient d’électrostatique et d’aimant. Les électrets sont essentiellement l’équivalent électrostatique d’un aimant permanent.
Les matériaux électret ont généralement une résistance électrique et une stabilité chimique élevées et conserveront leur charge électrique pendant de longues périodes(des centaines d’années).
Les électrets sont généralement fabriqués en faisant fondre un matériau diélectrique et en permettant à ce matériau de se solidifier dans un champ électrostatique puissant. Les molécules polaires s’alignent naturellement dans ce champ électrostatique lorsque le matériau fond et restent dans cette position lorsque le matériau durcit, produisant une polarisation électrostatique permanente.
Dans les microphones, le matériau électret est généralement du plastique polytétrafluoroéthylène(PTFE) sous forme de film ou de soluté.
Un peu d’histoire sur les condensateurs à électret
Les premiers microphones à condensateur à électret étaient rudimentaires, en effet. Le premier microphone à électret a été conçu en 1920(par Yoguchi du Japon), mais ce n’est qu’en 1961 que les microphones à électret ont pu être utilisés efficacement dans des produits prêts à être commercialisés.
Plus précisément, c’est le microphone à électret à feuille qui a été inventé en 1961 par James West et Gerhard Sessler aux Bell Laboratories.
Le premier microphone à électret a été produit en 1938 par la société Bogen et était connu sous le nom de Velotron sans tension. Malheureusement, à cette époque, la technologie électret était rudimentaire(c’est le moins qu’on puisse dire), et même si ces microphones fonctionnaient, il ne fallut pas longtemps avant que le matériau électret ne commence à perdre sa charge et à le rendre inefficace.
Le premier microphone à condensateur à électret réussi à arriver sur le marché a été le Sony ECM-22P en 1968.
Même au début des microphones à électret disponibles dans le commerce, la technologie était au mieux inégale. En fait, à cette époque, le terme «véritable condensateur» est apparu pour différencier les microphones à condensateur à polarisation externe supérieurs de leurs homologues à électret.
La technologie Electret a parcouru un long chemin depuis lors et se retrouve aujourd’hui dans de nombreux microphones à condensateur de studio de qualité professionnelle et même des microphones de mesure.
Types de microphones à électret
Il existe 3 façons principales d’ajouter du matériau électret à un ECM pour fournir la charge permanente. Ces 3 types d’électret sont:
- électret en aluminium
- deux électrets
- électret avant
Qu’est-ce qu’un microphone à condensateur à électret à feuille?
Un microphone à condensateur à électret à feuille utilise un film de matériau à électret comme diaphragme plutôt que d’avoir une plaque de diaphragme séparée recouverte de matériau à électret(comme une façade à électret). Les électrets à feuille sont les microphones à électret les plus courants mais de qualité inférieure, car les films à électret fonctionnent mal en tant que diaphragmes.
Qu’est-ce qu’un microphone à condensateur à électret arrière?
Un microphone à électret arrière est un microphone à condensateur avec une capsule chargée en permanence en raison de la fixation du matériau à électret sur sa plaque arrière fixe. Ne pas avoir de matériau électret attaché à la plaque frontale(diaphragme) augmente la précision du diaphragme et l’électret est plus durable car il est stationnaire.
Qu’est-ce qu’un microphone à condensateur à électret avant?
Un microphone à condensateur à électret avant est un microphone à électret sans plaque arrière. Le condenseur est plutôt composé du diaphragme et de la surface interne de la capsule du microphone. Un film électret est fixé à l’intérieur du capot avant du microphone et le diaphragme est connecté à l’entrée du FET.
L’électronique grand public et les ECM de qualité projet sont également livrés avec différents types de connecteurs de sortie. Ceux-ci inclus:
- type de broche
- type de borne
- type de fil
Les ECM de type fiche ont des broches conductrices pour transporter le signal asymétrique loin du microphone.
Les ECM de type terminal sont un peu plus flexibles et ont leurs terminaux disponibles pour se connecter à divers circuits.
Les ECM de type câble ont leurs signaux transportés par un câble et peuvent être placés plus loin de leurs PCB prévus.
Comment fonctionnent les microphones à condensateur électret?
Maintenant que nous comprenons ce que sont les microphones à électret, examinons de plus près leur fonctionnement.
Nous commencerons par un schéma de base simple d’une capsule de microphone à condensateur à électret arrière et d’un convertisseur d’impédance pour référence dans cette section:
Comme pour tous les microphones, les ECM ont des diaphragmes qui réagissent aux ondes sonores externes(variations de la pression acoustique). Ce mouvement du diaphragme est converti en un signal de microphone correspondant qui est ensuite émis par le microphone.
Mais il y a tellement plus à savoir en plus de ces bases!
Les principes électrostatiques derrière le transducteur ECM
Tout d’abord, discutons des principes électrostatiques qui sont à la base de la fonctionnalité ECM. Notez que ces principes sont les mêmes pour tous les microphones à condensateur.
Nous allons commencer par le fait que la capsule du microphone à condensateur est essentiellement un condensateur à plaques parallèles.
Ce condenseur est composé d’une plaque avant mobile(le diaphragme/membrane de la capsule) et d’une plaque arrière fixe(appelée simplement plaque arrière).
Ce condensateur doit maintenir une charge constante entre le diaphragme et la plaque arrière pour fonctionner correctement. Avec les ECM, cette charge est fournie par le matériau électret(soit sur le diaphragme, la plaque arrière ou ailleurs dans la conception de la capsule).
Une fois que la capsule a sa charge fixée, nous pouvons utiliser la formule électrique suivante pour comprendre le fonctionnement de la capsule:
V = Q • C
- V = tension aux bornes des plaques.
- Q = charge électrique entre les plaques.
- C = capacité du condensateur à plaques parallèles.
Le signal audio du microphone commence par la variation de tension à travers les plaques de condensateur de la capsule. Les signaux audio analogiques sont, après tout, des tensions alternatives avec des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz.
La tension alternative du condensateur doit être modifiée avant qu’il puisse effectivement sortir du microphone, mais le transducteur à capsule est le début du signal du microphone.
Donc, en regardant la formule ci-dessus, nous voyons qu’avec une charge fixe, tout changement de capacité produira un changement de tension inversement proportionnel. Cela signifie que pour créer un signal de microphone à tension alternative, nous avons besoin que la capacité du condensateur varie de haut en bas(oscille autour de son point de consigne).
Comment la capacité à l’intérieur d’une capsule de microphone à condensateur peut-elle être modifiée? Jetons un coup d’œil à une autre formule de capacité pour le savoir:
C = ε 0 (A/d)
- C = capacité du condensateur à plaques parallèles.
- A = aire des plaques.
- ε 0 = constante diélectrique.
- d = distance entre les plaques.
Dans la formule ci-dessus, nous avons deux constantes: la constante diélectrique et l’aire des plaques(le diaphragme mobile et la plaque arrière fixe). Le diaphragme mobile, qui réagit aux variations du niveau de pression acoustique, permet de modifier la distance entre les plaques(d dans l’équation ci-dessus).
Ainsi, en déplaçant le diaphragme, nous modifions la distance entre les plaques du condensateur.
Selon notre deuxième équation, toute modification de la distance entre les plaques du condensateur entraîne une modification proportionnelle de la capacité du condensateur/capsule.
Selon notre première équation, tout changement de capacité provoque un changement inversement proportionnel de tension aux bornes des plaques.
Comme nous en avons discuté, une tension alternative aux bornes des plaques est essentiellement notre signal de microphone. Par conséquent, grâce aux principes électrostatiques mentionnés ci-dessus, toute onde sonore au niveau du diaphragme du microphone à condensateur provoque un signal de microphone correspondant.
Le matériel électret
Ce qui sépare vraiment les ECM des microphones à condensateur ordinaires, c’est le matériau électret. Comme mentionné précédemment, le matériau électret permet une charge électrique fixe à travers le condensateur à plaques parallèles. Cette charge fixe, encore une fois, est nécessaire au bon fonctionnement des modules ECM.
Le transistor convertisseur d’impédance
L’élément transducteur et les principes électrostatiques qui le régissent sont assez intelligents. Cependant, il y a un gros problème avec les capsules ECM (et les capsules de microphone à condensateur en général, d’ailleurs).
Ce problème est l’impédance extrêmement élevée à la sortie de la capsule.
Il est essentiel que la capsule du condensateur maintienne une impédance très élevée pour éviter que la charge stockée sur les plaques ne s’échappe.
De même, il est indispensable d’avoir un convertisseur d’impédance juste après la capsule pour prélever efficacement le signal audio de la capsule ECM. Avec les ECM, ce convertisseur d’impédance se présente généralement sous la forme d’un JFET (transistor à effet de champ à grille de jonction).
Un JFET est un appareil électronique actif à trois bornes. Jetons un coup d’œil à un schéma simple d’un JFET suivi d’une liste de ses terminaux:
- S = origine
- D = vidange
- G = porte
Le signal de sortie haute impédance de la capsule est envoyé à la grille du JFET où il crée un circuit avec les bornes de grille de la source.
La porte peut être considérée comme une entrée à haute impédance, capable de recevoir le signal de sortie de la capsule sans dégradation significative (ce qui serait le cas si l’entrée était à faible impédance).
Le JFET est alimenté par une source externe (généralement une alimentation fantôme ou une polarisation CC). Cela configure efficacement les bornes source-drain pour que le courant électrique les traverse. Ce courant est d’impédance relativement faible et peut être envoyé à travers le reste du microphone et la sortie finale du microphone.
Le courant entre la source et le drain peut être considéré comme la sortie JFET (convertisseur d’impédance). La tension alternative «de sortie», comme on peut le deviner, a une impédance beaucoup plus faible que le «signal d’entrée».
Le «signal d’entrée» module essentiellement le courant du «signal de sortie». Par conséquent, un signal à haute impédance allant aux bornes de source de grille du JFET peut moduler efficacement le signal à basse impédance au niveau de la source de drain. C’est là qu’intervient l’impédance.
Notez que les JFET peuvent également fournir une sorte de pseudo-amplification entre leur entrée et leur sortie.
Plus de circuits et de sortie microphone
Selon le microphone à condensateur électret particulier, il peut y avoir des circuits supplémentaires pour que le signal du microphone passe avant de quitter le microphone.
Ces circuits peuvent inclure (mais ne sont pas limités à) les composants suivants:
- filtres passe-haut
- Dispositifs d’atténuation passifs (PAD)
- amplificateurs
- Convertisseurs analogique-numérique
Alimentation des composants actifs d’un microphone à condensateur à électret
Les ECM ont des capsules chargées en permanence et ne nécessitent pas de tension de polarisation externe pour appliquer une charge fixe sur leurs plaques.
Cela dit, les microphones à condensateur à électret sont toujours des microphones actifs. Vos convertisseurs d’impédance nécessitent une alimentation (fournie par des moyens externes) pour fonctionner correctement, tout comme les composants mentionnés dans la section précédente.
Sur les ECM de qualité studio et de mesure, la méthode d’alimentation préférée est généralement l’alimentation fantôme, qui applique +48 VDC aux broches 2 et 3 (par rapport à la broche 1) du câble audio symétrique connecté au microphone.
Avec les ECM à volets et autres ECM miniatures, la méthode d’alimentation préférée est souvent la polarisation CC. Cette méthode consiste à envoyer +5 Vdc le long du conducteur audio d’une ligne asymétrique et est généralement fournie par l’émetteur sans fil auquel le micro lav est connecté.
Dans les appareils grand public, qui utilisent couramment des microphones à électret, les microphones sont alimentés par la même batterie, alimentation ou alimentation secteur qui alimente le reste de l’appareil.
Avec toutes ces informations à l’esprit, le schéma simplifié suivant d’un ECM devrait avoir un sens:
Applications des microphones à condensateur à électret
Au début de cet article, j’ai mentionné que les microphones à condensateur à électret sont l’un, sinon le plus, des microphones les plus utilisés sur Terre.
Sur ce, jetons un coup d’œil à quelques ECM typiques:
- Micros de mesure
- microphones à condensateur de studio
- Microphones de film (micros canons, micros-cravates, etc.)
- Électronique grand public (ordinateurs portables, téléphones portables, etc.)
- Dispositifs médicaux professionnels (tels que les prothèses auditives)
Les applications pour les types de microphones ci-dessus vont des appels téléphoniques à l’audio de films à succès ; battre des records pour aider ceux d’entre nous qui ont une déficience auditive.
Exemples de microphones à condensateur à électret
Pour vraiment en savoir plus sur les microphones à condensateur à électret, nous devrions jeter un œil à quelques exemples:
Terrassement M50
Le Earthworks M50 est un excellent microphone de mesure avec une capsule à condensateur électret. Il a une large réponse en fréquence de 5 Hz à 50 000 Hz(la gamme de l’audition humaine, que la plupart des CEM prétendent reproduire, n’est que de 20 Hz à 20 000 Hz).
Ce microphone nous dit que les microphones à électret, avec la bonne conception, peuvent être des transducteurs hautes performances et incroyablement précis.
DPA 4006A
Le DPA 4006A est un microphone haut de gamme dans l’ensemble(pas seulement par rapport aux autres microphones à condensateur à électret).
Ce micro crayon fonctionne presque aussi précisément qu’un micro de mesure, mais il n’est pas commercialisé de cette façon. Au contraire, le 4006A est conçu pour être un microphone de référence pour une production sonore précise et détaillée en studio.
Rodé NT1-A
Le Rode NT1-A est l’un de mes microphones préférés. Je considérerais ce micro comme un produit «prosommateur», car il se situe quelque part entre le niveau professionnel haut de gamme et le niveau consommateur à part entière. J’ai personnellement utilisé ce microphone sur de nombreux projets professionnels dans ma carrière d’ingénieur du son.
Sanken COS-11D
Le Sanken COS-11D est un microphone cravate standard de l’industrie pour le cinéma, la télévision et d’autres médias projetés.
Ce microphone a une capsule à condensateur à électret miniature et fonctionne sur une tension de polarisation continue.
Défi Électronique CEM-C9745JAD462P2.54R
Le Challenge Electronics CEM-C9745JAD462P2.54R est l’un des nombreux exemples d’ECM bon marché sur le marché aujourd’hui(c’est aussi assez compliqué). Ces petits ECM de projet de type broche seraient très similaires à ce que nous nous attendrions à trouver dans l’électronique grand public.
iPhone(2008)
L’iPhone d’origine utilisait un ECM avec un ADC immédiat pour enregistrer et transmettre l’audio. les modèles ultérieurs ont été conçus avec des microphones MEMS.
Avec la popularité croissante et le développement des microphones MEMS, de nombreux fabricants d’appareils grand public optent pour les microphones MEMS plutôt que pour les ECM. Les microphones MEMS sont beaucoup plus petits et moins chers à construire et, à certains égards, surpassent les ECM(en particulier dans les appareils grand public comme les téléphones portables).
des questions connexes
Qu’est-ce qu’un micro FET?
Un microphone FET est un microphone actif à semi-conducteurs qui utilise un FET(Field Effect Transistor), par opposition à un tube à vide, comme convertisseur d’impédance. Les microphones FET sont généralement des microphones à condensateur, mais peuvent également avoir des transducteurs dynamiques.
Qu’est-ce qu’un microphone actif?
Un microphone actif est un microphone qui nécessite une alimentation pour fonctionner correctement. Tous les microphones à condensateur sont actifs et certaines dynamiques de ruban sont actives. Les composants actifs dans les conceptions de microphones comprennent des convertisseurs d’impédance(tubes ou FET), des capsules à polarisation externe et certains composants dans les cartes de circuits imprimés d’un microphone.
