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Utilisation de disques piézo-électriques comme microphones de contact

De nombreux musiciens expérimentent ou souhaitent expérimenter l'utilisation de micros-contact. La captation par contact direct avec un corps vibrant est une alternative intéressante à la captation des ondes propagées par l'intermédiaire de l'air employée par les microphones habituels. Que ce soit pour éviter un larsen en situation "live", obtenir une sonorité différente d'un instrument ou tout simplement pour accéder à un univers sonore inconnu, il y a de nombreuses raisons d'employer des micros-contact.

Cependant, les microphones de contact vendus pour les musiciens présentent quelques défauts. D'une part de nombreux modèles sont adaptés au registre fréquentiel d'instruments acoustiques particuliers tels que le violon, la guitare ou la contrebasse par exemple. D'autres ont une vocation moins spécialisée, mais par contre leur prix est élevé et ils peuvent être fragiles.

C'est pourquoi les disques piézo-électriques sont particulièrement intéressants. Ils sont très peu coûteux et du coup se prêtent bien à l'expérimentation. On n'aura pas peur d'en sacrifier l'un ou l'autre pour obtenir un enregistrement unique. Je connais par exemple une artiste qui les plonge dans l'acide - Don't try this at home, kids.

Cependant, on peut avoir quelques difficultés à en tirer quelque chose. Cet article expose les problèmes les plus fréquemment rencontrés et propose quelques solutions.


 

1. La piézo-électricité

La piézo-électricité consiste à créer une charge électrique (et de là un courant) par déformation d'un matériau, en général un matériau solide. A l'inverse, faire passer un courant électrique dans un matériau piézo-électrique entraîne une déformation de celui-ci. Par voie de conséquence, un matériau piézo-électrique constitue donc un moyen de capter des vibrations acoustiques (microphone) ou d'en produire (haut-parleur).

On trouve d'anciens microphones aériens employant le principe de la piézo-électricité. Il s'agit généralement de microphones de mauvaise qualité datant de la première moitié du 20e siècle. Ces micros piézo-électriques (on parle aussi de micros à cristal car le matériau piézo-électrique y était souvent un matériau cristallin) ont plus tard été remplacés par des micros électrostatiques à condensateur polarisés par électret comme microphones bas de gamme (pour les téléphones, les dictaphones, les micros non-professionnels, etc). Le principal défaut de ces microphones à cristal était une très faible sensibilité.

Cependant, c'est surtout comme microphones de contact que les matériaux piézo-électriques sont intéressants. A titre indicatif on notera aussi que ces matériaux sont utilisés dans des haut-parleurs pour produire des ondes acoustiques à très hautes fréquences, notamment dans le registre des ultra-sons (par exemple sur les capteurs de distance fonctionnant sur le principe du sonar). Les matériaux utilisés ne sont plus de simples cristaux mais des matériaux élaborés selon des procédés industriels développés dans la seconde moitié du 20e siècle.

Les matériaux piézo-électriques utilisables en audio se présentent aujourd'hui principalement soit sous la forme de disques céramiques rigides, soit sous la forme de rectangles souples en PVDF (un polymère). Les capteurs en PVDF sont malheureusement plus chers. Dans cet article, je me concentrerai sur les disques céramiques, mais je reviendrai peut-être sur les capteurs en PVDF ultérieurement. Remarquez qu'il existe aussi du matériau piézo-électrique vendu sous forme de câble coaxial, mais cette forme est plus rare.

 Des disques piézo typiques, avec fils déjà soudés.

2. Disques piézo-électriques

Les disques piézo-électriques ont généralement un diamètre allant de 1 à 5 cm. Leur partie centrale est blanche. C'est la céramique. Cette partie blanche repose sur un disque métallique plus ou moins rigide dont le diamètre est plus grand que celui de la partie blanche. Certains disques métalliques sont parfois si fin qu'ils se plient. Il faut éviter en tous les cas de plier la partie en céramique car elle n'est pas souple du tout. Le disque est relié à deux fils. L'un des deux fils est connecté à la partie blanche, l'autre à la partie métallique. Les disques piézo possèdent habituellement une courbe de réponse particulière. Le bas de la courbe de réponse présente une chute (aspect "filtre passe-haut") puis une zone plus ou moins linéaire suivie d'une fréquence de résonance très marquée, fréquence qui varie en fonction de chaque modèle. Dans le commerce, la fréquence de résonance devrait être indiquée par le fabricant, mais ce n'est pas toujours le cas.

Courbe de réponse typique d'un disque piézoLes disques piézo peuvent être achetés dans les magasins de composants électroniques. Pour nos lecteurs bruxellois, sachez qu'on en trouve à un prix tout à fait correct chez Elak, rue des Usines. S'il vous en faut en grandes quantités, un achat directement auprès d'un fabricant en Chine peut être vraiment intéressant (via des sites tels qu'AliExpress.com ou Alibaba.com par exemple), mais attention à bien vérifier que des fils sont déjà soudés sur les pastilles, ce n'est pas systématique. Si vous êtes masochiste, vous pouvez bien sûr faire les soudures vous-même, mais ce n'est pas le type de soudure le plus simple à effectuer. On trouve aussi des disques piézo dans des "buzzers", qui se présentent comme des cylindres en plastique plutôt plats. Il faut alors extraire le disque du cylindre en ouvrant ce dernier (ce qui implique généralement sa destruction).

 

3. Microphones de contact

Pour utiliser une pastille piézo comme microphone, il suffit de souder sur les fils un connecteur de type Jack quart de pouce à deux points de contact ou une fiche XLR-3. Si on emploie une fiche XLR, on connecte les fils d'une part sur la masse (point 1) et sur le point chaud (généralement le point 2 de la fiche, mais sur certains appareils c'est le point numéro 3, donc adapter en fonction de l'entrée microphonique de l'appareil sur lequel on connectera le microphone).

Le microphone piézo se branche alors sur une entrée pour microphone mais il n'a pas besoin d'une alimentation fantôme.

Cependant, ces pastilles comportent trois défauts :

  • une faiblesse mécanique des soudures des fils électriques sur la pastille, qui se traduit par un décollement pur et simple de l'une ou l'autre des soudures dès qu'on a le malheur d'exercer une traction un peu forte sur le câble ;
  • une grande impédance de sortie, qui se traduit généralement par un signal faible et une courbe de réponse en fréquence très pauvre en bas-médium et en grave, donnant un son un peu "étriqué" ;
  • une mauvaise protection contre les parasites électromagnétiques, qui se traduit par la présence d'une ronflette, soit en permanence soit par intermittence, selon les contacts entre la pastille et l'utilisateur. Il s'agit d'un son continu, sorte de "buzz", composé d'une fondamentale à 50 Hz et de ses harmoniques dans les pays où le courant domestique oscille à 50 Hz, en Europe par exemple. En Amérique, c'est plutôt une fréquence de 60 Hz que l'on va trouver.
  • la difficulté de les attacher au corps sonore dont on veut capter les vibrations tout en captant un maximum d'énergie et de fréquences.

Nous allons voir comment résoudre ces problèmes.

 

4. Le problème du détachement des soudures

Ce problème mécanique se résout très simplement. Il faut recouvrir les soudures avec de la colle époxy. On trouve ce type de colle dans les magasins d'articles de bricolage ou éventuellement dans certains fournisseurs d'articles de beaux-arts (tel que Schleiper à Bruxelles par exemple). On reconnaît la colle époxy à sa présentation sous la forme de deux seringues accolées. On trouve généralement de la colle époxy transparente ou grise. Il s'agit d'une colle à deux composants qui, une fois mélangés, réagissent en durcissant progressivement. Dans un récipient, il faut bien mélanger les deux composants, qui sont relativement denses et visqueux, puis verser le mélange sur les soudures de manière à englober celles-ci dans une tache qui les entoure. Il faut veiller à ce que les fils électriques soient bien couchés et dirigés vers l'extérieur du disque, de manière à ce qu'une fois la colle durcie toute traction éventuelle s'exerce sur la masse de colle et non sur les soudures. Le durcissement prend en général quelques heures. Attention, si le dosage entre les deux composants n'est pas bon, la colle peut être trop liquide et peut couler au-delà du disque métallique. Limiter la quantité de colle appliquée pour réduire les risques d'écoulement. On peut aussi attendre que la colle ait commencé à durcir un petit peu et ait tteint une consistance pâteuse avant de l'étaler. Attention, si le dosage n'est pas bon, la colle peut aussi ne jamais durcir.

Disque piézo avec colle époxy.

Une fois bien durcie, l'époxy réduit à néant les risques d'arrachage des soudures. Cela ne veut pas dire que vous pouvez exercer n'importe quelle traction sur vos fils, car maintenant ce sont eux qui pourraient être arrachés. Si vous manipulez votre matériel sans faire l'Attila, vous ne devriez pas avoir de problème.

Notez que de la colle chauffée par pistolet pourrait éventuellement être envisagée pour remplacer l'epoxy, mais il faut acheter le pistolet et en outre ce type de colle à tendance à créer beaucoup de fils. Je me demande aussi si la colle tiendrait aussi bien sur le disque à long terme.

 

5. Le problème de l'impédance.

L'impédance électrique est une notion qui n'est pas toujours facile à comprendre. L'impédance de sortie caractérise grosso modo la facilité avec laquelle un appareil laisse sortir un signal alors que l'impédance d'entrée est la facilité avec laquelle un appareil laisse entrer un signal. Par exemple, on parle de l'impédance de sortie d'un microphone ou d'un amplificateur de puissance, ou bien de l'impédance d'entrée d'un enregistreur, d'une console de mixage ou encore d'un haut-parleur. Une autre notion importante est que l'impédance change en fonction de la fréquence. Donc quand on parle de l'impédance d'un appareil, que ce soit en entrée ou en sortie, on devrait fournir un graphe indiquant l'impédance pour l'ensemble de la bande passante de l'appareil. Généralement, une seule valeur est fournie et elle correspond à l'impédance à la fréquence de 1 kHz. Dans les connexions entre microphones et préamplis, un préampli doit avoir une impédance significativement plus grande que celle du microphone.

Dans le cas d'un disque piézo, l'impédance de sortie est très grande (beaucoup plus grande que celle d'un micro aérien), ce qui veut dire que si l'on connecte le disque dure une entrée microphonique classique, on a un signal faible et pauvre en basses fréquences.

La solution consiste à employer une boîte de direct (D.I. box). Les boîtes de direct sont fréquemment employées pour connecter des guitares sur des entrées microphoniques de tables de mixage. On en trouve dans tous les studios d'enregistrement et les salles de spectacle. Il en existe de nombreux modèles, certains actifs (alimentés), d'autres passifs. Cependant, la principale caractéristique est une entrée à haute impédance (souvent 1 méga-ohms ou MΩ). Il existe aussi quelques modèles à très haute impédance, avec une valeur qui peut monter jusqu'à 10 MΩ. C'est par exemple le cas de la PZ-DI de Radial Engineering. Ce boîtier est  coûteux : plus de 200€ en Europe, mais le prix est plus réduit en Amérique du nord. Il permet cependant de récupérer beaucoup de basses fréquences, cela en vaut donc la peine. Le principal défaut des boîtes de direct est d'être assez encombrantes et lourdes. Il existe des adaptateurs d'impédance plus légers, qui ont la taille d'un gros connecteur XLR, tel que le MIT-29 de Hosa par exemple. Cependant, par comparaison avec le PZ-DI j'ai pu constater qu'on récupère moins de bases fréquences, le son conserve une couleur très médium. Le MIT-29 est aussi relativement difficile à trouver en Europe. On peut l'acheter via eBay par exemple, mais le prix est souvent exagéré, à moins que les frais de port ne soient carrément prohibitifs. Attention aussi aux frais d'importation si le vendeur est en Amérique du nord. On peut cependant le trouver à bon prix chez Funky Junk UK, qui l'envoie en outre pour des frais de port très bas. Si vous avez des compétences en électronique, vous pouvez aussi construire vous-même un préampli microphonique spécialisé pour pastille piézo, il existe sur le Web de multiples schémas de circuits ad hoc.

Face avant du PZ-DI de Radial Engineering, avec plusieurs choix d'ompédance d'entrée.

 

6. Le problème des parasites électromagnétiques

Les parasites électromagnétiques sont, d'après mon expérience, surtout capté par la partie blanche du disque. Les tentatives que j'ai mené pour blinder les fils électriques se sont révélées inutiles. Par contre, le blindage de la partie blanche à rendu la ronflette totalement inaudible.

Pour effectuer ce blindage  il faut d'une part un isolant électrique et d'autre part de la feuille autocollante électriquement conductrice (en cuivre généralement). J'ai personnellement employé du vernis à ongles comme isolant. mais du collant isolant tel que celui qu'on trouve dans les magasins d'électronique ou les grandes surfaces de bricolage devrait pouvoir fonctionner aussi. Notez que si l'esthétique finale du microphone importe, sachez qu'il existe des vernis à ongles de toutes les couleurs possibles et imaginables! Il existe aussi du vernis isolant pour électronique, vendu en bombe, mais c'est généralement assez cher et inutile si vous ne devez fabriquer que quelques microphones.

L'autocollant conducteur est plus difficile à trouver. Il faut aller dans les magasins spécialisés en électronique, et encore tous n'en ont pas. Le prix est assez élevé également. Les rubans conducteurs vendus sur eBay constituent une bonne alternative. Ils sont généralement destinés aux musiciens qui bricolent eux-mêmes leurs guitares électroacoustiques. Attention, éviter les rubans trop étroits. Il existe des rubans larges, avec un prix qui change en fonction de la longueur. Idéalement, la colle du ruban devrait être conductrice, mais c'est généralement le cas. On trouve aussi cet autocollant sous forme de feuilles. Il est possible qu'on puisse employer de la feuille d'aluminium de ménage à la place de l'autocollant en cuivre, mais il sera sans doute plus difficile de la placer et sa finesse la rendra plus fragile.

Disque avec époxy (à droite). La céramique est recouverte de vernis de couleur jaune (centre).

Il faut d'abord isoler le disque blanc. On applique dessus le vernis à ongles, en dépassant légèrement du pourtour du disque jusqu'à la partie métallique. Une fois le vernis bien sec, on passe à l'autocollant conducteur. Il faut découper un carré capable de recouvrir complètement le disque blanc et la surface vernie, de manière à ce qu'il y ait une surface de contact entre la partie métallique et l'autocollant. Une fois l'autocollant placé, on le lisse bien pour maximiser son adhérence. Ensuite on peut appliquer une seconde couche de vernis au-dessus de l'autocollant, ce qui aidera à le maintenir en place et protégera le disque de métal contre l'oxydation. Le disque montré sur ces photos présente quelques taches d'oxydation car il est resté un peu trop longtemps exposé à l'air avant d'être utilisé.

après vernissage du disque blanc, celui-ci est recouvert par de la feuille autocollante en cuivre.

 

7. La fixation des pastilles sur les corps sonores

Difficile de trouver le bon matériau pour coller une pastille piézo sur un corps sonore.  Le matériau idéal devrait faire adhérer au maximum le disque à la surface vibrante, tout en laissant passer un maximum d'énergie à un maximum de fréquences, le tout en ne laissant pas de trace sur la surface lorsqu'on enlève le disque. La fragilité du support est la contrainte la plus gênante. Il est évident que si vous devez placer une pastille sur la caisse d'un Stradivarius, il est impératif que le vernis de celui-ci reste en parfait état après la captation et l'enlèvement du microphone. Dès lors, le mieux est d'opter pour une pâte collante spéciale vendue expressément pour les micros de contact. Cette pâte s'enlève facilement et proprement du corps sonore, sans arracher quoi que ce soit ni laisser de résidu.

Cependant, si le support vibrant n'est pas fragile ou précieux, il existe d'autres moyens d'adhérence plus économiques et qui, pour certains, transmettent même mieux les vibrations.

La pâte collante peut aussi être remplacée par la pâte qu'on vend en papeterie pour accrocher des papiers au mur (marques Parafix en Europe et Blu-Tak en Amérique du nord par exemple). Attention, ce type de pâte collante s'enlève très bien des supports, mais peut laisser des traces de graisse si le support est absorbant et si on laisse la colle appliquée trop longtemps.

De manière générale, le problème de l'adhésion avec des pâtes molles est qu'elles sont absorbantes acoustiquement, surtout pour les fréquences aigues. Il est paradoxal d'absorber des fréquences que l'on s'échine à capter. Un collage rigide permettrait de mieux transmettre ces fréquences. A cet égard, si la surface la permet, du simple ruban dit de tapissier (celui de couleur beige qu'on applique pour protéger des bordure quand on repeint son intérieur) peut faire l'affaire. Attention tout de même à ne pas le laisser en place durant des semaines, sinon il peut laisser des traces de colle.

J'ai aussi eu l'idée un peu incongrue d'employer comme adhésif l'affreuse pâte rouge cerise qui enrobe les fromages Babybel. Sa grande qualité est d'offrir à la fois une grande souplesse et une bonne adhésion lorsqu'elle a été bien malaxée et une plus grande rigidité une fois qu'on l'a appliquée puis laissé reposer et refroidir un peu. Du coup, cette rigidité facilite la transmission des aigus. Par contre, cette pâte laisse immanquablement des traces graisseuses et, pire encore, est difficile à enlever sans laisser de résidus. On réservera donc son usage à des surfaces faciles à nettoyer avec un produit dégraissant genre white-spirit (métal, bois verni avec un vernis solide, pierre non poreuse) ou sur des corps sonores qu'on ne craint pas de salir.

J'ai aussi lu sur je ne sais plus quelle page Web que certaines cires d'abeille pourraient être ramollies à la main et être utilisées alors comme adhésifs. La seule cire que j'ai trouvée est beaucoup trop dure pour être ramollie à la main, j'ignore donc si c'est une fausse piste ou si je n'ai juste pas eu de chance.

J'imagine qu'on peut employer d'autres techniques de collage. Voilà un champ d'expérimentation à investiguer.

Notez que vous pouvez aussi fixer définitivement un disque sur un corps sonore. La colle époxy fera encore une fois des merveilles.

 

Et voilà. Bon amusement ! Faites-moi part de vos expériences via le formulaire de contact du site.

 

 

 

Mots-clés: piézo, contact microphone

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