Les sources électroacoustiques – Le haut-parleur électrodynamique

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Les sources électroacoustiques – Le haut-parleur électrodynamique

Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d’un signal électrique. Il est en cela l’inverse du microphone. Ce terme est aussi employé pour désigner un appareil complet destiné à la reproduction sonore. Il existe de nombreux types de haut-parleurs, électrodynamique, électrostatique, piézoélectrique, qui représentent les technologies actuelles les plus courantes. Le haut-parleur électrodynamique est le plus courant puisqu’il couvre aujourd’hui, environ 99 % du marché [1] ; nous allons voir ses caractéristiques pour la suite.

Principe de fonctionnement

Le haut-parleur électrodynamique fonctionne selon le principe suivant : un moteur transforme l’énergie électrique en énergie mécanique puis la transmet à la membrane, cette dernière à son tour la transmet à l’air ambiant créant ainsi l’onde sonore [1].
Le moteur est constitué par un ensemble générant un champ magnétique radial IIJ€ , permanent (invariable dans le temps) dans un espace donné appelé entrefer. Cet espace est déterminé par la géométrie mécanique du moteur. La source de champ magnétique est généralement un aimant permanent de type torique, de faible épaisseur relative par rapport à sa surface, polarisé dans le sens axial. Une bobine de fil de cuivre ou d’aluminium (longueur l, masse m, inductance L, résistance R) placé sur un support cylindrique est plongée dans cet entrefer dans le sens axial [1].
Lorsqu’un courant parcourt cette bobine, du fait de la tension U que l’on fixe à ses bornes, une force IJ• tend à faire sortir la bobine du champ IIJ€ de l’entrefer dans le sens axial. Cette force est la force de Laplace dont l’expression de la norme est la suivante [1]: ‚ = ƒ„… †…‡ˆ
Avec B la norme du champ magnétique IIJ€ en teslas. ‰ la longueur du fil introduite dans l’entrefer mètres. i le courant parcourant la bobine en ampères.
α l’angle formé par ƒIJ et le fil conducteur.
Dans le cas du haut-parleur, sinα = 1. La force F est proportionnelle à i, si B est constant et si l est constant quel que soit le déplacement de la bobine [1].
A basse fréquence, la membrane se déplace sans déformation, elle est équivalente à un piston en translation à la vitesse v ; elle est liée au carter de l’appareil par une suspension de raideur k. C’est un système électromécanique réciproque, en entrainant la membrane, on crée une force électromotrice dans la bobine [12]. Une représentation simple du haut-parleur électrodynamique est montrée sur la figure 21.

La réception du son

L’oreille

L’oreille est l’organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de l’ouïe. C’est un organe pair et symétrique qui occupe des cavités creusées dans le rocher (os du crâne). Elle assure deux fonctions majeures, l’audition et l’équilibration. Seuls les vertébrés ont des oreilles, toutefois de nombreux invertébrés sont capables de percevoir les sons en faisant appel à d’autres sens. Anatomie et fonctionnement [13] [16]
L’oreille comprend principalement trois parties (figure 24) :
– l’oreille externe : composé du pavillon qui assure un rôle de coupe-vent, et du conduit auditif assurant un rôle de protection et d’amplification de la pression acoustique.
– l’oreille moyenne : comprenant le tympan qui transmet mécaniquement les vibrations à la chaîne des osselets puis à l’oreille interne, et les osselets reliant le tympan à la fenêtre ovale et assurant à leur tour la transmission des vibrations du tympan. L’oreille moyenne se présente comme une cavité prolongée en avant par la trompe d’Eustache qui aboutit dans le pharynx. A chaque déglutition cette trompe assure l’équilibre de pression entre l’oreille moyenne et extérieure, condition indispensable à la mobilité du tympan. En arrière, l’oreille moyenne communique avec les cellules mastoïdiennes creusées fans l’os temporal.
– l’oreille interne : qui comprend une cavité rigide de forme complexe, le labyrinthe osseux, dans laquelle flotte un organe souple et creux, le labyrinthe membraneux, contenant deux liquides : l’endolymphe et la périlymphe. Le labyrinthe est formé de deux parties, le vestibule et le limaçon. Le vestibule a un rôle capital dans l’équilibre car les récepteurs vestibulaires sont sensibles à la pesanteur et aux variations de la vitesse. Il comprend aussi des canaux semi-circulaires dans trois plans perpendiculaires et qui sont en rapport avec l’espace à trois dimensions. Le limaçon quant à lui est un organe en forme d’escargot où l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique transmise au cerveau le long de la fibre nerveuse.

La sonométrie

De toutes les grandeurs qui caractérisent les sons dans l’air, c’est leur pression acoustique qui est la plus facile à mesurer, particulièrement avec un microphone. Les microphones sont des transducteurs qui convertissent les ondes sonores acoustiques d’un milieu compressible en impulsions électriques proportionnelles à la pression acoustique [5]. Les principales caractéristiques des microphones sont leur sensibilité et leur directivité.

Quelques types de microphones 

Les microphones électrodynamiques

Ils exploitent le phénomène décrit par Lenz, c’est-à-dire, un conducteur en mouvement dans un champ magnétique est traversé par un courant dit induit.
Un bobinage solidaire de la membrane se déplace dans l’entrefer d’un aimant permanent (cf. figure 25). Le courant électrique ainsi généré est à l’origine de la différence de potentiel aux bornes du microphone ou micro. Comme l’air à proximité de la membrane présente une succession de surpression et de dépression, celle-ci est entrainée dans un mouvement de va et vient autour d’une position d’équilibre, d’où le signal de tension généré est alternatif.
Le micro électrodynamique est un capteur de pression, la pression derrière la membrane est maintenue constante grâce à un évent.
Sa sensibilité est typiquement entre -60 à -50 dBV/Pa et la pression acoustique maximale supportée est 180dB SPL environ. Sa capacité à supporter de fortes pressions sonores et à favoriser les fréquences correspondant à la voix fait qu’il est le plus souvent utilisé sur scène (batterie, percussions, chant).

Les microphones électrostatiques (ou à condensateur)

La membrane est un disque extrêmement léger fait de métal (titanium) ou de polyester rendu conducteur par application d’une fine couche de métal sur sa surface. Cette membrane est flottante et constitue l’une des armatures d’un condensateur. Les variations de pression font varier la distance entre les deux armatures et donc la capacité (figure 26).
Ce type de micro a besoin d’une tension continue de 48V pour polariser les deux plaques du condensateur. La sensibilité est de -45 à – 30dBV/Pa tandis que la pression acoustique maximale supportée est de l’ordre de 130dB SPL. Ces micros sont utilisés pour les prises de son demandant une grande fidélité (en studio) mais ne sont pas à utiliser pour les percussions ou à l’extérieur sans un dispositif anti-vent.

Les microphones à électret

Le principe reprend celui du micro électrostatique sauf que la tension de polarisation disparait du fait que la membrane porte une charge électrostatique permanente, c’est cet élément qui est appelé électret.
Leurs avantages sont la possibilité de miniaturisation et le faible coût. On les rencontre dans les micros-cravates ou bien intégrés dans des appareils hi-fi. Quant à leurs inconvénients, ils sont moins performants que les micros électrostatiques et de plus certains électrets perdent leur charge dans le temps et deviennent de moins en moins sensibles.

Les microphones de contact

Ce type de micro exploite la propriété qu’ont certains corps à se polariser électriquement lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique. On parle aussi de micros piézo-électriques d’après le nom de cette propriété. Ces micros se présentent sous forme de pastilles que l’on pose contre la partie vibrante d’un instrument.

La sensibilité 

Pour mesurer la sensibilité, on utilise communément un signal de 1 kHz dont le niveau est porté jusqu’à 74 dB SPL ou 94 dB SPL. Un niveau de pression acoustique de 74 dB SPL correspond à une pression de 1μB (micro Bar) et 94 dB SPL correspond à une pression de 1 Pa.
Il y a deux notations pour exprimer la sensibilité d’un microphone. L’une d’elle est de l’écrire en mV/Pa ou mV/µB.
Exemple : la sensibilité d’un micro valant 1,5 mV/Pa signifie que 1,5 mV ont été mesurés aux bornes du micro quand il a été soumis à une pression acoustique de 94dB SPL.
L’autre manière d’exprimer la sensibilité est de faire intervenir des valeurs de tension de référence. Le dBu européen correspond à une tension de référence de 0,775 V. Le dBV américain quant à lui correspond à une valeur de 1V. L’unité de la sensibilité est donc soit dBu/Pa soit dBV/Pa.
Une valeur exprimée en dBu/Pa ou dBV/Pa permet de retrouver la tension U que le micro délivre lorsqu’il est soumis à un signal de 1kHz à une pression de 1Pa. –—˜q = 20 log ‹‹2‘X
Où š › représente la sensibilité du micro et œŒ la tension de référence. Puisqu’ils sont connus après une mesure, U est donné par l’expression : ‹ = ‹2‘X 10( •žŸ⁄@ )

La directivité 

En dehors de la réponse en fréquence et de la sensibilité, une autre caractéristique des microphones est la directivité. Pour la sensibilité, la mesure se fait dans l’axe pour 1kHz. Mais les microphones ne sont pas sensibles de la même manière dans toutes les directions. Cela signifie que certains sons parvenant à la capsule seront plus ou moins atténués en fonction de l’angle d’incidence mais aussi de la fréquence de ce signal.
Il est d’usage de représenter les courbes de sensibilité dans un diagramme polaire où la capsule du micro se situe au centre de cercles concentriques représentant chacun un niveau en dB. Les micros sont ainsi classés selon leur directivité. On distingue : les omnidirectionnels, les bidirectionnels, les cardioïdes, les hypercardioïdes et les micros à directivité multiple. La figure 27 représente un exemple de diagramme polaire, il s’agit ici du diagramme d’un microphone cardioïde.

L’impédance 

L’impédance est la grandeur qui remplace la résistance lorsque les tensions alternatives entrent en jeu. L’expression de cette grandeur (en Ω) fait intervenir la fréquence des signaux qui traversent les conducteurs. Cette propriété est à l’origine de phénomènes d’atténuation et de pertes qu’il faut éviter lorsqu’on cherche à transmettre des signaux audio notamment. C’est pourquoi l’impédance de sortie des microphones est rabaissée à 200 Ω de manière à permettre l’utilisation de longs câbles (jusque plusieurs centaines de mètres) et d’éviter l’atténuation des hautes fréquences. En corrélation, l’impédance d’entrée des appareils sur lesquels se branchent les microphones est de l’ordre de 2kΩ, soit 10 fois plus (voie d’entrée de consoles par exemple). Il faut veiller à respecter cet ordre de grandeur entre impédances de sortie et impédances d’entrée afin d’assurer le fonctionnement nominal des appareils ainsi raccordés.

Les sonomètres 

Un sonomètre est un ensemble constitué par un microphone, un amplificateur et un dispositif de lecture qui fournit directement, en dB, le niveau de pression acoustique régnant à l’emplacement du microphone.
La dynamique d’un microphone étant beaucoup plus étendue que celle de l’amplificateur, un atténuateur d’entrée est placé avant afin de ne prendre qu’une fraction déterminée de la tension délivrée par le microphone. Certains sonomètres sont aussi équipés d’un filtre de pondération.
Les sonomètres indiquent les niveaux de pression efficace avec des durées d’intégration plus ou moins longues. Cette durée est négligeable lorsque les bruits sont stables, ce qui n’est pas le cas pour les bruits fluctuants. Le réglage du sonomètre dépend donc du bruit qui, dans ce cas peut être divisé en six catégories qui sont les bruits : stable, intermédiaire, fluctuant, varié, intermittent et impulsionnel.
Exemples :
– Pour les bruits stables, le sonomètre sera réglé sur le mode lent (1 seconde).
– Pour les bruits fluctuants, sur le mode rapide (0.125 seconde).
– Pour les bruits impulsionnels, une durée de 0.035 seconde sera nécessaire (sonomètre impulsif).

Les applications conventionnelles de la piézoélectricité

Les transducteurs piézoélectriques entrent dans de nombreuses applications, que ce soit pour des applications scientifiques ou des applications usuelles. La liste suivante, qui n’est pas exhaustive, présente quelques exemples de ces applications.
Transducteurs acoustiques [1]
Une onde acoustique peut être convertie en signal électrique à l’aide des matériaux piézoélectriques. Ils constituent le cœur des transducteurs acoustiques utilisés pour l’émission ou la détection des ondes acoustiques et ceci dans toutes les gammes de fréquence. On les retrouve dans plusieurs domaines :
– dans la gamme des fréquences audibles, il y a les microphones, en particulier les microphones de contact, et les haut-parleurs, notamment pour les téléphones portables.
– dans les SONAR, utilisés dans la marine, mais aussi dans l’automobile pour fabriquer les radars de recul ou encore en robotique pour les télémètres à ultrasons et détecteurs d’obstacles.
– en médecine, pour la réalisation d’échographies ou pour certaines thérapies par ultrasons.
Résonateurs piézoélectriques [1]
Il est possible de réaliser des résonateurs piézoélectriques très stables dans le temps et avec des fréquences très précises. En électronique, la vibration piézoélectrique peut servir à réaliser des références de temps, comme pour les montres à quartz qui utilisent la résonance d’un diapason en quartz pour créer les impulsions régulières d’horloge.
Les microbalances piézoélectriques, surtout celles à quartz, reposent également sur ce principe et permettent des mesures de masses très précises.
Capteurs de pression ou d’accélération [1]
Une pression exercée sur un matériau piézoélectrique crée des charges que l’on peut mesurer électroniquement. On peut donc les utiliser comme capteurs de pression ; par exemple dans l’automobile, pour vérifier la pression des pneus, dans l’aéronautique pour mesurer la pression dans les tuyères, ou encore dans les pèse-personnes etc.

Le phénomène piézoélectrique

Sur le même principe, il est possible de mesurer une accélération. Il est ainsi possible de réaliser des capteurs inertiels (accéléromètre à lame vibrante, gyromètre vibrant Coriolis) qui peuvent être utilisés dans les centrales à inertie ou dans des applications de plus basse précision comme les airbags ou les manettes de consoles de jeux vidéo (Wii).
Actionneurs et moteurs piézoélectriques [1]
Ces dispositifs tirent profit de l’effet piézoélectrique inverse, un champ électrique est utilisé pour créer une déformation ou un déplacement. Les actionneurs sont monoblocs contrairement aux moteurs piézoélectriques qui sont composés de plusieurs parties mobiles entre-elles.
Un des premiers domaines d’application de ces actionneurs a été le domaine spatial, puisqu’ils ont l’avantage d’avoir une haute densité énergétique pour un faible échauffement. Mais de nos jours, ils sont aussi utilisés dans plusieurs domaines autres que l’astronautique, par exemple dans les microscopes à forces atomiques et ceux à effet tunnel, dans la commande de certains injecteurs en automobile, dans certaines imprimantes à jets d’encre, en astronomie pour déformer un miroir afin de corriger les effets de la turbulence atmosphérique etc.
Quant aux moteurs piézoélectriques, ils sont utilisés par exemple dans les systèmes autofocus d’appareils photographiques, dans les mécanismes des vitres électriques des voitures et en général dans des applications où la petite taille de ces moteurs répond aux contraintes volumiques.
Générateurs [1]
Pour citer un exemple de génération de fortes tensions avec le phénomène piézoélectrique, il y a les allume-gaz et les briquets électroniques. L’effet direct permet de produire des tensions supérieures à la tension de claquage de l’air qui est de 30kV/cm pour un écartement de quelques millimètres, une étincelle de décharge est ainsi produite et sert à l’allumage du gaz. Mais il y a aussi les micro-générateurs qui sont des applications visant à récupérer l’énergie présente dans l’environnement sous différentes formes, comme par exemple la télécommande sans pile qui récupère l’énergie produite par la pression des doigts sur les boutons ou encore la sonnette de porte sans pile et sans fil. Des études ont même été faites pour pouvoir extraire de l’énergie à partir des autoroutes en disposant un film piézoélectrique sous la chaussée. Ainsi on peut dire que la piézoélectricité est une source d’énergie renouvelable à part entière.

Les transducteurs piézoélectriques à ultrasons

Parmi les applications possibles, nous allons voir en particulier la production d’ultrasons à partir des matériaux piézoélectriques.
La piézoélectricité est une méthode largement utilisée pour générer des ultrasons (détection, télémétrie). Les transducteurs correspondants ont l’avantage d’être utilisables aussi bien à l’émission qu’à la réception (phénomène réciproque). Leur composant principal est un élément piézoélectrique (lame mince pour les transducteurs dans la gamme du MHz et au dessus). A l’émission, cet élément est mis en vibration par un signal électrique et à la réception, la vibration sonore crée un champ électrique détecté sur des électrodes situées de part et d’autre de la lame [19].
Historiquement, Paul Langevin fut celui qui, pour la première fois, a généré des ultrasons à l’aide d’un cristal aux propriétés piézoélectriques qui n’est autre que le quartz. Le problème résidait dans le fait qu’il fallait mettre en œuvre des tensions très élevées pour des débattements microscopiques (dans l’eau, 200 000 V pour un débattement de 0.4µm). La première amélioration fut l’utilisation du phénomène de résonance. Quand la longueur d’onde est égale à la moitié de l’épaisseur de la lame de cristal, la fréquence est un « harmonique » du cristal (on réduit la tension nécessaire à 40 000 V). La dernière amélioration fut ce que l’on appelle le « triplet de Langevin » (on passe à 8 000 Volts). Il consiste en une couche de matière piézoélectrique intercalée entre deux couches de métal. La résonance est transmise au métal pour un meilleur gain, ce qui permet la génération d’ultrasons avec des tensions électriques raisonnables [20].

Le triplet de Langevin

Encore appelé « sandwich de Langevin » [20], le triplet de Langevin consiste à contraindre entre deux masses métalliques une lame qui peut être un cristal comme le quartz (cf. figure 36) ou encore l’association de deux (ou quatre ou six selon le cas) céramiques piézoélectriques. Ces couches de métal servent à la protection des matériaux piézoélectriques mais également à étalonner l’ensemble acoustique à une fréquence prédéfinie qui est habituellement comprise entre 20000 et 70000 Hz [1].
Quand un signal sinusoïdal est appliqué à la lame piézoélectrique, celle-ci se déforme en se contractant. L’accord en fréquence du triplet ou de l’ensemble acoustique est obtenu quand la consommation électrique est minimale avec un déplacement maximal des masses mises en mouvement. Mais pour ce faire, il faut que la fréquence électrique du signal appliqué au triplet concorde avec sa fréquence de résonance mécanique. La vibration ainsi créée est transmise aux deux masses métalliques dont l’amplitude du déplacement peut être de quelques microns à plus de 20 microns crête à crête. On peut augmenter cette amplitude à l’aide d’un booster (amplificateur mécanique accélérant la propagation de l’onde créée) et une sonotrode dans certains cas [1].

Généralités sur les transducteurs piézoélectriques à ultrasons 

Les transducteurs à ultrasons exploitent les phénomènes piézoélectriques direct et inverse. De ce fait ils transforment une énergie électrique en énergie mécanique, pour la production des ultrasons, et réciproquement quand ils sont utilisés comme capteurs à ultrasons.
Dans la plupart des applications, un élément piézoélectrique est utilisé sous forme d’un film mince de faible épaisseur. A l’état libre, c’est-à-dire quand il est utilisé dans l’air, il est représenté par une face électrique et est utilisé comme un résonateur, ayant un grand coefficient de surtension — (cf. figure 37).
Lorsque l’élément piézoélectrique est utilisé comme un générateur d’ondes acoustiques dans un liquide, il est représenté par une face électrique et deux faces acoustiques (cf. figure 38).
C’est aussi le cas lorsque l’élément piézoélectrique est utilisé sur les solides et généralement, le transducteur est acoustiquement couplé au solide par des liquides couplants ou des gels (cf. figure 39).
Dans le cas du résonateur, où Ä et Äq représentent l’air, l’impédance électrique d’entrée est une réactance. Quant aux générateurs d’ondes acoustiques dans un liquide ou dans un solide, le rapport entre l’énergie électrique et l’énergie acoustique rayonnée est plus important. Dans ces cas, dépendamment des impédances des milieux Ä et Äq , l’élément piézoélectrique Äv agit en tant que résonateur à faible coefficient de surtension.

Le modèle de Mason

Beaucoup de chercheurs ont proposé des modèles décrivant les transducteurs piézoélectriques. Citons par exemple Redwood, Brown et Carlson, Leach, Schmidt et Brissaud. Même si ces modèles présentent certains avantages au niveau des applications concrètes, les modèles de Mason et KLM (Krimboltz, Leedom, Matthaei) sont les plus répandus. Nous allons donc voir le modèle de Mason.
Le comportement dynamique électromécanique d’un élément piézoélectrique analysé à l’aide du circuit équivalent de Mason est présenté sur la figure 40. Les pertes internes sont négligées.
Ce circuit est représenté par deux faces mécaniques et une face électrique. Å et Å$ sont analogues aux courants et • et •$ sont analogues aux tensions. Puis, un transformateur idéal électromécanique représente le lien entre le port électrique et les deux ports mécaniques. ! et ! sont les composantes électriques qui simulent les effets mécaniques, leurs expressions sont [18]:
Avec :
– Æ@ est la surface de l’élément piézoélectrique en m².
– 7@ est sa densité en lm.

Table des matières

Introduction Générale
PARTIE I. L’acoustique ultrasonore
Chapitre I. L’acoustique
I.1. Définition et historique
I.2. Les domaines de l’acoustique
I.3. Le son
I.3.1. Les différentes catégories de sons
I.3.1.1. Les sons purs
I.3.1.2. Les sons complexes
I.3.2. Les caractéristiques du son
I.3.2.1. La hauteur ou tonie
I.3.2.2. Le timbre
I.3.2.3. La pression acoustique
I.3.2.4. La puissance d’une source
I.3.2.5. Courbes isosoniques et phones
I.4. La propagation d’une onde acoustique
I.4.1. Généralités
I.4.2. L’équation de propagation ou équation d’onde
I.4.3. La vitesse de propagation du son
I.4.3.1. Cas du gaz parfait
I.4.3.2. Cas des liquides
I.4.3.3. Cas des solides
I.4.4. Propagation à une dimension – Généralisation
I.4.5. Propagation en champ libre – Cas d’une onde plane
I.4.5.1. Relations entre , et
I.4.5.2. Source omnidirectionnelle en champ libre
I.4.5.3. Source omnidirectionnelle en champ libre – Généralisation
I.5. Le signal sonore
I.5.1. Généralités
I.5.2. L’analyse par bandes de fréquence
I.5.2.1. L’analyse par bandes d’octave
I.5.2.2. L’analyse par tiers d’octave
I.5.2.3. Bruit blanc et bruit rose
I.6. La production du son
I.6.1. Les sources acoustiques
I.6.1.1. Les sources acoustiques musicales
I.6.1.2. La phonation
I.6.2. Les sources électroacoustiques – Le haut-parleur électrodynamique
I.6.2.1. Principe de fonctionnement
I.6.2.2. Modélisation
I.6.2.3. Constitution et caractéristiques d’une enceinte acoustique
I.7. La réception du son
I.7.1. L’oreille
I.7.2. La sonométrie
I.7.2.1. Les différents types de microphones
I.7.2.2. La sensibilité
I.7.2.3. La directivité
I.7.2.4. L’impédance
I.7.2.5. Les sonomètres
Chapitre II. Le phénomène piézoélectrique
II.1. Introduction
II.2. Histoire et description du phénomène
II.3. Principes
II.3.1. Piézoélectricité
II.3.1.1. Piézoélectricité naturelle
II.3.1.2. Piézoélectricité artificielle
II.3.2. Pyroélectricité
II.3.3. Ferroélectricité
II.4. Formalisme sur la piézoélectricité
II.4.1. Notations générales
II.4.2. Rôle de la symétrie
II.5. Modélisation et paramètres caractéristiques
II.5.1. Représentation électrique d’un élément piézoélectrique
II.5.2. Coefficient de couplage électroacoustique
II.5.3. Facteur de qualité mécanique
II.6. Les différents matériaux piézoélectriques
II.7. Les applications conventionnelles de la piézoélectricité
II.8. Les transducteurs piézoélectriques à ultrasons
II.8.1. Le triplet de Langevin
II.8.2. Généralités sur les transducteurs piézoélectriques à ultrasons
II.8.3. Le modèle de Mason
II.8.4. Structure d’un transducteur et circuit équivalent
II.8.5. Les différents types de transducteurs
Chapitre III. L’acoustique ultrasonore
III.1. Introduction aux ultrasons
III.2. Les ultrasons dans la nature
III.3. Les méthodes de génération d’ultrasons
III.3.1. Génération par effet électrostatique ou effet capacitif
III.3.2. Les transducteurs à magnétostriction
III.3.3. L’électrostriction
III.3.4. Les sources d’ultrasons mécaniques
III.3.5. Utilisation du phénomène piézo-électrique
III.4. Propriétés des ultrasons
III.4.1. Les paramètres caractérisant une onde ultrasonore
III.4.2. La propagation des ondes ultrasonores
III.4.2.1. Equation de propagation
III.4.2.2. Propagation dans un milieu gazeux
III.4.2.3. Propagation dans un milieu liquide
III.4.2.4. Propagation dans un milieu solide
III.4.3. Les différents types d’ondes de volume
III.4.3.1. Milieu fluide
III.4.3.2. Solide isotrope
III.4.3.3. Solide anisotrope
III.4.4. Ondes modales
III.4.4.1. Ondes de Lamb
III.4.4.2. Ondes de Rayleigh
III.4.5. Description d’un faisceau ultrasonore émis
III.4.5.1. Zone initiale ou zone de Fresnel
III.4.5.2. Zone distale ou zone de Fraunhofer
III.4.5.3. Cas d’un signal impulsionnel
III.4.6. L’interaction d’une onde ultrasonore avec la matière
III.4.6.1. Absorption et atténuation
III.4.6.2. Diffusion
III.4.6.3. La cavitation acoustique
III.4.7. L’interaction d’une onde ultrasonore avec une interface plane
III.4.7.1. Cas des milieux fluides et solides isotropes
III.4.7.2. Cas des milieux anisotropes
III.4.7.3. Les différents phénomènes d’interaction
III.4.7.4. Surfaces des lenteurs
III.4.8. La focalisation du faisceau ultrasonore
Chapitre IV. Les domaines d’application des ultrasons
IV.1. Introduction
IV.2. Le sondage par ultrasons
IV.2.1. Sonar et acoustique sous-marine
IV.2.1.1. Histoire
IV.2.1.2. Structure des systèmes sonar
IV.2.1.3. Les principales utilisations de l’acoustique sous-marine
IV.2.2. L’échographie ultrasonore
IV.2.2.1. Principes de l’échographie
IV.2.2.2. Les différents types d’échographie
IV.2.2.3. L’imagerie médicale
IV.2.2.4. L’échographie Doppler
IV.2.2.5. Le contrôle non-destructif par ultrasons (CND/US)
IV.2.3. La télémétrie à ultrasons
IV.2.4. La mesure des constantes viscoélastiques des matériaux
IV.2.5. La spectroscopie ultrasonore
IV.2.6. Les autres types d’imagerie ultrasonore
IV.2.6.1. Imagerie en transmission par balayage
IV.2.6.2. Imagerie numérique en transmission – Tomographie en transmission
IV.2.6.3. Imagerie numérique en réflexion – Tomographie en réflexion
IV.2.6.4. Applications de la diffraction avant
IV.3. Autres applications industrielles
IV.3.1. Le nettoyage par ultrasons
IV.3.2. La sonochimie
IV.3.3. La génération d’aérosols
IV.3.4. Les ultrasons de puissance
IV.4. L’acoustique médicale ultrasonore
IV.4.1. La chirurgie ultrasonore
IV.4.2. Les applications thérapeutiques des ultrasons
IV.5. Les ultrasons dans la recherche scientifique
IV.5.1. Les microsystèmes acoustiques
IV.5.2. Les ultrasons laser
IV.6. Conclusion
PARTIE II. Télémétrie à ultrasons
Chapitre V. Les télémètres à ultrasons
V.1. Introduction
V.2. Les capteurs à temps de propagation
V.2.1. Télémètres par mesure directe du temps de vol – Télémètres à impulsions
V.2.2. Télémètres à mesure de fréquence de battement
V.2.3. Télémètres par mesure de déphasage
V.2.4. Télémètres à interférométrie
V.3. Les caractéristiques de mesure
V.3.1. Au niveau des transducteurs
V.3.1.1. Plage de fonctionnement
V.3.1.2. Ouverture de la zone
V.3.2. Au niveau de l’environnement
V.3.3. Au niveau de la cible
V.3.4. Le rendement énergétique
V.4. Utilisations de la technique du télémètre à ultrasons
V.5. Avantages et inconvénients des télémètres à ultrasons
V.6. Conclusion
Chapitre VI. Exemple de montage d’un télémètre ultrasonore à impulsions
VI.1. Introduction
VI.2. Principe de fonctionnement
VI.3. Le microcontrôleur PIC16F876
VI.3.1. Introduction
VI.3.2. Structure interne
VI.3.3. Structure externe
VI.3.4. Les fonctionnalités utilisées
VI.4. La programmation
VI.4.1. Le cycle d’horloge
VI.4.2. La programmation du timer0
VI.4.3. La programmation du timer1
VI.4.4. La programmation du timer2 et du module CCP1 en mode PWM
VI.4.5. La programmation du module CCP2 en mode capture
VI.4.6. Les interruptions
VI.5. Les différentes parties du montage
VI.5.1. L’émission
VI.5.2. La réception
VI.5.3. L’affichage
VI.5.4. Le montage pour les tests sur le microcontrôleur
VI.6. Résultats obtenus
VI.6.1. L’émission
VI.6.2. La réception
VI.6.3. Au niveau du microcontrôleur
VI.6.4. Récapitulatif sur le télémètre réalisé
VI.7. Discussions
Conclusion générale
Annexes
Annexe 1 : Le programme complet
Annexe 2 : Le schéma complet du télémètre à ultrasons
Références

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