[projet] Un microphone directionnel à réflecteur parabolique

[Yvan_Delaserge]

Bonjour,

Je viens de réaliser un microphone directionnel à réflecteur parabolique qui fonctionne plutôt bien et je souhaite partager ce projet avec tous ceux que cela intéresse. Je poste le sujet sur le forum conformément aux prescriptions.

Je compte utiliser ce microphone directionnel pour l'enregistrement de chants d'oiseaux. Ces enregistrements peuvent par la suite être examinés avec un programme d'analyse spectrale, permettant dans certains cas d'identifier non seulement l'espèce d'oiseau, mais de faire la différence entre plusieurs individus d'une même espèce. La revue "Scientific American" avait publié un article sur ce thème il y a plusieurs années et je me suis récemment décidé à me lancer dans la réalisation.
A l'heure actuelle, il existe même des applications pour smartphone, permettant d'identifier les oiseaux par leur chant.

Le principe de ce micro directionnel est simple: Un réflecteur parabolique va capter les ondes sonores incidentes sur toute sa surface et les concentrer en son foyer, c'est le même principe que pour les ondes électro-magnétiques. On entendra mieux les sons venant de la direction dans laquelle on pointe la parabole.

Pour ce qui est des sons, on va s'intéresser à des fréquences allant de 2 à 7 KHz environ.

Ce spectrogramme représente un chant d'oiseau et on voit les fréquences sur l'axe vertical.

J'ai utilisé un réflecteur en aluminium de 40 cm de diamètre, au foyer duquel j'ai placé un micro électret et un préampli à faible bruit. Ce dernier est connecté à un ampli, qui alimente un casque.

La longueur d'onde d'un son de 10 KHz est de 3 cm. Un réflecteur de 40 cm de diamètre présentera un gain de 30 dB à 10 KHz, et ce gain diminue de 6 dB par octave, en d'autres termes, on aura 24 dB à 5 KHz, 18 dB à 2,5 KHz, 12 dB à 1,25 KHz.

La directivité de la parabole est directement proportionnelle au gain. A 10 KHz, le lobe de réception maximale de la parabole a une largeur de quelques degrés seulement.

J'en reste là pour l'instant. Je publierai bientôt les schémas et des photos.
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[antek]

Je trouve ça intéressant.
Mais pourquoi limiter autant la bande passante ?
Une parabole pour réception TV par satellite est utilisable ?

[jiherve]

Bonsoir
projet intéressant que je vais suivre.
JR

[inviteede7e2b6]

Je trouve ça intéressant.
Mais pourquoi limiter autant la bande passante ?

descendre en fréquence impose d'augmenter le diamètre du réflecteur ( c'est de la physique)

les limites pratiques sont vite atteintes pour un système portatif

[A voir en vidéo sur Futura]

[gwgidaz]

Bonjour,

JLa longueur d'onde d'un son de 10 KHz est de 3 cm. Un réflecteur de 40 cm de diamètre présentera un gain de 30 dB à 10 KHz, et ce gain diminue de 6 dB par octave, en d'autres termes, on aura 24 dB à 5 KHz, 18 dB à 2,5 KHz, 12 dB à 1,25 KHz.

Bonjour,
Un "gain" par rapport à quoi?

[inviteede7e2b6]

je suppose , par ce qui serait capté par un "micro isotrope" , qui est une vue de l'esprit

[gwgidaz]

je suppose , par ce qui serait capté par un "micro isotrope" , qui est une vue de l'esprit

C'est une analogie dangereuse...En RF, une antenne isotrope capte plus d'énergie si la fréquence est basse que si elle est haute, sur une onde qui possède une puissance par unité de surface donnée. (Comme un dipôle demi-onde, mais avec 2,15 dB de moins)
Pour un micro, c'est différent . Un bon micro devrait avoir une courbe de réponse plate pour des ondes de même énergie surfacique. Il se rapproche donc d'une antenne à surface de captation indépendante de la fréquence. Bien sur, cela dépend des micros.
Cela veut dire qu'on n'a pas une accentuation des aigües par la parabole, du moins pas de 6 dB /octave, contrairement à ce qu'on pourrait imaginer en considérant le "gain" annoncé.....

[inviteede7e2b6]

j'ai pas dit ça....

bref , le gain se définira par rapport à ce que capterait le même micro nu...

de bonnes capsules ELECTRET couvrent de 20 à 20 000 avec une réponse quasi plate.

20 hz : 15 mètres de longueur d'onde ( à la louche)

20 000 : 15 mm , d'où l'influence de la taille de la parabole

[Yvan_Delaserge]

Cela veut dire qu'on n'a pas une accentuation des aigües par la parabole, du moins pas de 6 dB /octave, contrairement à ce qu'on pourrait imaginer en considérant le "gain" annoncé.....

Hello gwigdaz,

L'expérience montre que si, malheureusement...Mais je suis incapable de dire si c'est 6 dB par octave ou moins.
C'est la grosse différence avec une utilisation RF. Il est rare de travailler sur plusieurs octaves en RF.

Il reste toujours la possibilité de construire un ampli compensant ce problème, mais la directivité de la parabole restera mauvaise pour les fréquences basses.

[Yvan_Delaserge]

Je trouve ça intéressant.
Mais pourquoi limiter autant la bande passante ?

Les amplis vont de quelques Hz à plus de 10 KHz. Mais cela représente un nombre considérable d'octaves et ce qui limite la bande passante, c'est plutôt la parabole.

Une parabole pour réception TV par satellite est utilisable ?

Oui, bien sûr.

[Yvan_Delaserge]

Bonsoir
projet intéressant que je vais suivre.
JR

Bienvenue, jiherve!

[gwgidaz]

Hello gwigdaz,

L'expérience montre que si, malheureusement...Mais je suis incapable de dire si c'est 6 dB par octave ou moins.
C'est la grosse différence avec une utilisation RF. Il est rare de travailler sur plusieurs octaves en RF.

Il reste toujours la possibilité de construire un ampli compensant ce problème, mais la directivité de la parabole restera mauvaise pour les fréquences basses.

Bonjour,

Oui, les aigües sont quand même favorisées, mais par des phénomènes plus complexes. Par exemple, pour les fréquences basses, l'énergie que l'on voudrait imaginer concentrée au foyer occupe en fait une surface très supérieure à celle du micro. Donc il y a peu de gain en fréquences basses.
Aux fréquences élevées, si l'ouverture est grande, la directivité du micro ne prend pas tout l'angle solide sous lequel il voit la parabole....Bref, un gain qui dépend, entre autre, du micro placé au foyer. C'est pour ça que je disais que l'analogie avec les ondes Rf est dangereuse....

[Yvan_Delaserge]

La première étape est bien sûr de se procurer une parabole. Pour du son, elle peut être métallique ou en matière isolante (plastique, etc).

On peut parfaitement utiliser une parabole satellite.

On trouvait il y a quelques années dans les magasins IKEA un modèle d'abat-jour, nommé LOFT, qui coûtait une vingtaine d'euros, présentait un diamètre de 40 cm et était réalisé en aluminium. Sa forme était assez parfaitement parabolique et son rapport focale/diamètre était de 0,25, ce qui est plutôt favorable dans notre application.

A défaut, il y a l'option "couvercle de marmite" Mais la forme sera probablement moins parfaite (quoique) et le rapport focale/diamètre plus élevé.

La première chose à rechercher pour un réflecteur parabolique, c'est sa distance focale. On le calcule grâce à la formule
f= d²/ 16 c
où
f= distance focale
d= diamètre de la parabole
c= profondeur de la parabole

ceci pour une parabole "prime focus".

FOCALE.jpg
Une image extraite d'un vieux grimoire aux pages jaunies datant des débuts du RADAR.

Les paraboles satellite sont de type offset et la focale est un peu plus ardue à calculer. Mais comme elles comportent une bras porte-illuminateur, on sait à quel endroit se trouve le foyer.
Elles présentent une difficulté supplémentaire: Lorsqu'elles sont parfaitement verticales, elles ne visent pas à l'horizontale, mais à environ 45 degrés vers le haut! (En direction des satellites!)

Pour calculer le gain et la largeur de faisceau, on peut utiliser un abaque comme ceux qui existent pour les applications RF.

ABAQUE.jpg

Le son se propageant un million de fois plus lentement que la lumière, une onde sonore de 10 KHz aura la même longueur d'onde qu'une onde électromagnétique de 10 GHz.

ABAQUE2.gif

On voit donc qu'une parabole d'un diamètre d'un pied et demi aura un faisceau de 3 à 5 degrés de largeur et un gain d'environ 30 dB, pour un son d'une fréquence de 10 KHz.

Tout ceci n'est bien sûr qu'une extrapolation tendant à nous donner des ordres de grandeur.

En effet, en comparant une antenne parabolique dans une application RF et la présente application pour un micro directionnel, les deux points où il existe de grosses différences sont:

1) Bande de fréquences sonores s'étendant sur plusieurs octaves.

2) Alors qu'une tôle métallique épaisse ne serait-ce que d'une fraction de millimètre, arrête n'importe quelle onde électromagnétique, il n'existe pas de matériau opaque aux ondes sonores. Atténuant, oui, mais opaque non.

Une onde électro-magnétique provenant de l'arrière d'une parabole de réception satellite ne sera pas un problème. Une onde sonore dans les mêmes conditions, va allègrement traverser la parabole et arriver au micro!

On voit donc bien le problème: Comment empêcher le micro de capter tout ce qui ne provient pas de la surface concave de la parabole? Et la réponse est: On pourra atténuer les signaux sonores indésirables, mais pas les bloquer complètement.

Rassurez-vous, ça marche quand même! Moins bien que pour de la RF, mais ça marche!

[f6bes]

Bjr à tous,
Il fut un temps (lointain) j'ai utilisé la parabole qui équipait des résisatnces chauffantes
axiales (sorte de " ressort boudin" enroulé sur un support céramique) pour cet usage.
Ca fontionner relativement bien.
Bonne journée

[Yvan_Delaserge]

On en est donc là: Un micro directionnel à réflecteur parabolique, c'est un peu comme si l'on cherchait à construire un boîtier d'appareil de photo avec des matériaux translucides.
Au lieu d'arriver uniquement par l'objectif de l'appareil, dans des conditions parfaitement contrôlées, la lumière va en plus arriver sur le film un peu de toutes les directions. Un tel appareil de photo translucide serait à la rigueur utilisable dans un endroit pas trop éclairé, mais certainement pas en plein soleil.
De la même manière le présent micro à réflecteur parabolique sera utilisable pour enregistrer le chant d'un oiseau au milieu du silence d'une forêt, mais moins au milieu d'un environnement bruyant.
Quoique...On voit parfois des micros à réflecteur parabolique utilisés lors de certaines rencontres de football américain. Ils permettent aux journalistes de la télévision de capter les mots échangés entre les joueurs et les arbitres sur le terrain. Et le moins que l'on puisse dire c'est qu'un stade en pleine rencontre de football n'est pas un environnement silencieux!

Un autre problème, c'est qu'en plus du bruit arrivant au micro par transmission aérienne, il y a aussi celui qui arrive par le support reliant le micro à la parabole. J'ai essayé de la limiter autant que possible, de la manière suivante:

Une poignée permettant de tenir la parabole bien en main.

SUPPORT.gif

SUPPORT2.gif

Le support du micro est réalisé en un matériau semi-rigide: Du tube de polypropylène. On peut en tarauder l'intérieur, pour y insérer des vis.

SUPPMIC2.gif

Le micro, son préampli et la pile qui l'alimente, sont maintenus au foyer de la parabole au moyen d'une plaque de liège aggloméré.

SUPPMIC.gif

Et partout où c'est possible, j'ai intercalé des rondelles de caoutchouc découpées dans une vieille chambre à air de vélo.

[Yvan_Delaserge]

Pour les utilisations RF, l'illuminateur de la parabole doit être soigneusement calculé pour optimiser l'éclairage du récepteur. Ici, j'ai placé devant le micro une structure inspirée d'un cornet, mais l'idée était surtout d'empêcher que le micro capte du son provenant du haut, du bas et des côtés.

CORNET2.gif
On voit la capsule électret au fond du cornet. Elle est contenue dans l'épaisseur (1 cm) de la plaque de liège, ce qui atténue aussi le son en provenance du haut, du bas et des côtés.

CORNET.gif
Détail de la construction du cornet, en carton et bois collés.

[Murayama]

Bonjour!

Juste pour info (je n'ai pas vérifié): je connais quelqu'un qui avait fait ça non pas avec un réflecteur
d'antenne, mais avec... un parapluie (micro monté sur le manche, et il tenait le parapluie par la pointe).
J'admets que la parabole est très approximative, mais par contre le montage avait de gros avantages
pour se déplacer (il était parti enregistrer à Bornéo, si je me souviens bien).
Il semblait être convaincu de l'efficacité, et en tout cas il a le mérite d'avoir essayé.

Pascal

[Yvan_Delaserge]

Hello Murayama,

Il y a une réalisation avec un parapluie qui est décrite sur un site web, j'ai oublié lequel.
L'avantage d'un parapluie, c'est que c'est pliable et qu'une fois ouvert, on a quelque chose d'un diamètre approchant un mètre.
L'inconvénient que je verrais, c'est que le tissu du parapluie va peu réfléchir le son. Le son va le traverser sans être réfléchi. Le site web que j'ai vu proposait de revêtir le tissu du parapluie avec je crois du papier alu. Mais est-ce que ça va rester pliable une fois que l'on a fait cela?

Bien cordialement,

Yvan

[Murayama]

Re!

D'après lui, ce qui fonctionne le mieux, ce sont les parapluies transparents (pas en tissu, mais en
film plastique). Il y en a d'assez épais qui fonctionnent très bien.
En tout cas c'est beaucoup plus pratique que de trimballer une parabole d'antenne, et comme
c'est transparent, ça permet en plus de viser l'oiseau en se servant du manche comme guide.
Autre avantage, c'est qu'en cas de pluie tropicale, ça sert aussi de parapluie.

Pascal

[Yvan_Delaserge]

Passons à l'électronique.

Pour le préampli, je me suis pour commencer inspiré d'un montage trouvé sur le site de sonelec.

PRE5532.gif

Tel quel, chez moi, ce montage oscille. Je l'ai modifié comme suit:

PRE5532A.gif

Pour R1, la résistance de polarisation du micro électret, j'ai fait quelques essais

PROTO.gif

et pour les micros électret dont je dispose, 10 K est ce qui semble convenir le mieux.
J'ai aussi ajouté des condensateurs de découplage pour l'alim et pour la polarisation des entrées non inverseuses.
De cette manière, le préampli est stable. Le gain en tension est de 100, ce qui signifie que le gain en puissance est de 40 dB.

PREN5532.gif
Le préampli à NE 5532 terminé.

La capsule électret se trouve côté câblage.

PREM5532.gif

L'idée est que le circuit imprimé fasse (un peu!) écran pour le son arrivant de face. La capsule électret ne doit, autant que possible, recevoir d'autres ondes sonores que celles que la parabole réfléchit vers elle.

[Yvan_Delaserge]

La capsule électret vient s'insérer dans un trou de 10 mm percé dans la plaque de liège et qui se trouve exactement au foyer de la parabole.

FOYPAR.gif

OK disons que j'ai vu un peu grand pour ce qui est de la plaque de liège. Je vais peut-être refaire le montage avec une plaque plus petite et avec la pile placée au-dessus du préampli. Toujours dans l'idée d'atténuer le son qui vient par l'avant de la parabole. Cela permettra peut-être de gratter un ou 2 décibels de plus...


J'ai fait un autre préampli avec un OP 37, qui est légèrement moins bruyant que le NE 5532. Mais surtout, j'ai modifié le schéma comme suit:

PREOP37.gif

Selon les datasheets de l'OP 37 ou du LT 1115, pour avoir un préampli le moins bruyant possible, il faut le moins possible de résistance en série entre le micro et l'ampli op et le moins de feedback possible, donc une résistance R3 de valeur aussi élevée que possible.

A l'usage, je préfère le préampli à OP 37 à celui à NE 5532.

[Murayama]

Bonsoir!

Du point de vue circuiterie, j'ai quelque chose qui ressemble. Préampli sortant à 775 mV.
Alimentation en 3.3 ou 5V. Voir photo.

Pascal

Addendum: Sur la photo: on voit une place pour 2 micros electret 6mm. Ou alors 1 jack 2.5.
Mais en sortie, c'est du fil brut. Et c'est utilisable sur une plaque d'essais.

[f6exb]

C'est en stéréo non ?

[Murayama]

Bonsoir!

Le mien, oui. D'où la sérigraphie OUTL et OUTR.

Pascal

[Yvan_Delaserge]

Joli préampli Murayama! Quel est le circuit intégré utilisé?

Pour ce qui est de la stéréo, je me suis rendu compte en utilisant mon microphone directionnel mono, que l'on a parfois de la peine à identifier la source d'un son. Je suis donc en train de construire une nouvelle "tête", qui va comporter deux micros espacés de quelques centimètres, avec leurs préamplis respectifs.



C'est le même principe que pour les paraboles pour deux satellites, sauf qu'ici, les deux micros se trouveront décalés de part et d'autre du foyer de la parabole.

On va voir ce que ça donne en pratique. La capacité dont nous jouissons, de localiser l'origine d'un son, repose sur l'analyse par notre cerveau, du décalage de phase entre les sons reçus par chacune de nos deux oreilles.

Il faudra naturellement veiller à ce que la parabole soit tenue de telle manière que les deux micros se trouvent l'un à côté de l'autre, pas l'un au-dessus de l'autre.
Et que le micro de gauche envoie bien le signal à l'oreille gauche et celui de droite à droite!

[gwgidaz]

Joli préampli Murayama! Quel est le circuit intégré utilisé?

Pour ce qui est de la stéréo, je me suis rendu compte en utilisant mon microphone directionnel mono, que l'on a parfois de la peine à identifier la source d'un son. Je suis donc en train de construire une nouvelle "tête", qui va comporter deux micros espacés de quelques centimètres, avec leurs préamplis respectifs.

Pièce jointe 290992

CEt que le micro de gauche envoie bien le signal à l'oreille gauche et celui de droite à droite!

Micro de gauche "en regardant la parabole" , sinon c'est inversé....

[f6exb]

Micro de gauche "en regardant la parabole" , sinon c'est inversé....

Dans ce cas, il faut faire tourner la parabole d'un demi tour.

[Yvan_Delaserge]

Micro de gauche "en regardant la parabole" , sinon c'est inversé....

Oui, bien sûr!

[Murayama]

Bonsoir!

Joli préampli Murayama! Quel est le circuit intégré utilisé?

Je viens de vérifier: c'est un MAXIM MAX4469.
Je l'ai choisi parce qu'il est petit et stereo.
Le schéma, c'est inutile de le publier, il est dans la doc.
La carte fait 28 x 22. Les trous de vis et les micros / le jack prennent beaucoup de place.
On doit pouvoir faire beaucoup plus petit en mono et avec des composants en 1005 au lieu
de 1608. À vue de nez dans les 12 x 12 ou 10 x 10 mm.

Pascal

[Yvan_Delaserge]

Je viens de me rendre compte qu'il y a un souci avec le schéma du post # 21.

Le voici de nouveau, corrigé.