Un microphone est un transducteur qui convertit les variations de pression d’une onde sonore en un signal électrique. Il mesure donc une pression, pas un niveau sonore : les décibels sont calculés ensuite par le logiciel. Les smartphones utilisent des microphones MEMS.
Observer expérimentalement le microphone
FizziQ donne accès au signal du microphone sous plusieurs formes : oscillogramme, niveau sonore en décibels, fréquence dominante et spectrogramme. C’est le même signal de pression, présenté de quatre façons différentes.
Étapes :
- Ouvrir FizziQ et sélectionner l’oscillogramme, puis siffler ou faire vibrer un diapason devant le microphone pour voir apparaître la sinusoïde.
- Mesurer la période du signal en repérant deux passages par zéro consécutifs de même sens, puis en déduire la fréquence.
- Basculer sur le spectre de fréquences et comparer un diapason (une seule raie) à une voix ou à un instrument (fondamentale et harmoniques).
- Sélectionner le niveau sonore et relever la valeur en décibels dans le silence de la salle, puis à un mètre d’une source, en gardant à l’esprit que le microphone n’est pas étalonné en absolu.
- Repérer où se trouve le microphone sur l’appareil et l’orienter vers la source : le déplacer de quelques centimètres ou poser un doigt dessus change nettement la mesure.
Activités scientifiques sur ce thème
Plusieurs expériences réalisables avec le microphone d’un smartphone permettent d’étudier le son et la propagation des ondes sonores.
- Auscultation cardiaque au micro - Fabriquer un stéthoscope et enregistrer les battements du cœur pour en compter la fréquence.
- Vitesse du son : deux chronomètres - Mesurer la vitesse du son dans l’air à partir du retard entre deux détections sonores.
- Temps de réaction au chronomètre - Utiliser un signal sonore pour déclencher la mesure et évaluer un temps de réaction.
En savoir plus
Un transducteur, pas un sonomètre
Le microphone transforme une grandeur mécanique, la pression acoustique, en une grandeur électrique, une tension. Rien d’autre. Le niveau sonore en décibels est le résultat d’un calcul fait ensuite : le logiciel prend la valeur efficace du signal sur une fenêtre de temps et la compare à une pression de référence. Confondre les deux conduit à l’erreur classique qui consiste à croire que le capteur « mesure des décibels ».
Les microphones MEMS des smartphones
Un microphone MEMS est un condensateur miniature : une membrane de silicium de quelques centaines de micromètres, mobile, face à une plaque fixe percée. La pression acoustique déforme la membrane, l’écartement entre les deux armatures varie, donc la capacité varie, donc la tension aux bornes varie. Un préamplificateur intégré délivre le signal. Ces capteurs sont très reproductibles et très petits, ce qui explique leur généralisation, mais leur bande passante est limitée en bas du spectre.
Directivité
Un microphone ne capte pas de la même façon dans toutes les directions. Un micro omnidirectionnel répond presque également dans toutes les directions, un micro cardioïde privilégie l’avant et atténue l’arrière. Les micros MEMS des smartphones sont proches de l’omnidirectionnel, mais le boîtier du téléphone fait écran et introduit une directivité de fait. Retourner le téléphone pendant une mesure peut modifier le niveau relevé de plusieurs décibels.
Le microphone d’un smartphone n’est pas étalonné en absolu
Aucun fabricant ne garantit la correspondance entre le nombre affiché et le niveau réel en décibels SPL. De plus, les systèmes d’exploitation appliquent souvent un gain automatique et un filtrage destinés à la voix, qui compriment les niveaux forts et rehaussent les faibles. La conséquence pédagogique est nette : les écarts de niveau entre deux situations sont exploitables, les valeurs absolues ne le sont pas sans étalonnage contre un sonomètre.
Ordres de grandeur
Seuil d’audition à 1 kHz : pression de 2 × 10⁻⁵ Pa, soit 0 dB par définition. Conversation ordinaire : environ 0,02 Pa, soit 60 dB. Seuil de douleur : environ 20 Pa, soit 120 dB. La pression atmosphérique vaut 10⁵ Pa : une onde sonore n’est donc qu’une infime modulation de la pression ambiante. Sensibilité typique d’un micro MEMS : de l’ordre de quelques millivolts par pascal. Fréquence d’échantillonnage d’un smartphone : 44,1 kHz, ce qui permet d’analyser des fréquences jusqu’à environ 22 kHz.
Formule
La sensibilité du microphone relie la tension délivrée à la pression acoustique reçue :
U = S × p
où :
- U : tension délivrée par le microphone (V)
- S : sensibilité du microphone (V/Pa)
- p : pression acoustique, écart de pression par rapport à la pression ambiante (Pa)
Le niveau sonore est ensuite calculé par le logiciel à partir de la pression efficace :
L = 20 × log(p_eff / p₀)
où :
- L : niveau de pression acoustique (dB)
- p_eff : valeur efficace de la pression acoustique (Pa)
- p₀ : pression de référence, 2 × 10⁻⁵ Pa
La fréquence se déduit de la période lue sur l’oscillogramme :
f = 1 / T
où :
- f : fréquence du son (Hz)
- T : période du signal (s)
Pour la mesure de la vitesse du son par deux détections séparées :
v = d / Δt
où :
- v : vitesse du son dans l’air, environ 340 m/s à 20 °C (m/s)
- d : distance entre les deux points de détection (m)
- Δt : retard entre les deux détections (s)
Exemples d’application
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Mesurer la fréquence d’un diapason : l’oscillogramme donne une période d’environ 2,3 ms, soit une fréquence de 440 Hz.
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Comparer les spectres d’une flûte et d’une guitare jouant la même note : même fondamentale, harmoniques d’amplitudes différentes, ce qui définit le timbre.
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Mesurer la vitesse du son en plaçant deux détections à 10 m : le retard attendu est d’environ 29 ms à 20 °C.
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Vérifier la décroissance du niveau sonore avec la distance : en champ libre, doubler la distance à la source fait perdre environ 6 dB.
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Enregistrer les battements du cœur à travers un tube en carton et compter la fréquence cardiaque sur l’enregistrement.
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Observer les battements entre deux sons de fréquences voisines, par exemple 440 et 443 Hz : l’enveloppe du signal se répète trois fois par seconde.
FAQ
Q : Le microphone mesure-t-il des décibels ? R : Non. Il délivre une tension proportionnelle à la pression acoustique. Le niveau en décibels est calculé ensuite par le logiciel, à partir de la valeur efficace du signal comparée à une pression de référence de 2 × 10⁻⁵ Pa.
Q : Pourquoi deux smartphones n’affichent-ils pas le même niveau sonore ? R : Parce que les microphones de smartphone ne sont pas étalonnés en absolu et que chaque système applique ses propres traitements du signal. Les écarts entre deux mesures faites avec le même appareil restent en revanche fiables.
Q : Faut-il orienter le téléphone vers la source ? R : Oui, et il faut garder la même orientation pendant toute la série de mesures. Le boîtier fait écran et le niveau relevé peut varier de plusieurs décibels selon la face présentée à la source.
Q : Quelle est la fréquence la plus haute mesurable avec un smartphone ? R : Environ 22 kHz. L’échantillonnage se fait à 44,1 kHz et le critère de Shannon impose de ne pouvoir restituer que les fréquences inférieures à la moitié de cette valeur.
Q : Peut-on mesurer un son très faible ou très fort ? R : Difficilement aux deux extrêmes. Un son très faible se noie dans le bruit propre du capteur, et un son très fort sature l’entrée : l’oscillogramme est alors écrêté et le niveau affiché sous-estimé. Il faut éloigner le téléphone de la source dans ce cas.
Concepts liés
Onde sonore - Pression acoustique - Niveau sonore - Décibel - Fréquence - Spectre sonore - Transducteur - Capteur MEMS - Timbre