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Electronique > Réalisations > Détecteurs > Détecteur sonore 005

Dernière mise à jour : 15/03/2015

Présentation

Le montage décrit ici est un détecteur sonore très sensible qui permet de déclencher un appareil sur détection d'un bruit.



Il comporte deux sections reliées entre elles mais qu'on peut parfaitement dissocier :
- un détecteur sonore à proprement parler (circuit d'amplification analogique à grand gain pour microphone),
- un retardateur / temporisateur (circuit logique à base de monostables).
Il a été conçu à la demande d'un photographe pour commander le déclenchement d'un appareil photo lors de la détection d'un son de très faible amplitude (bruit de l'impact d'une goutte d'eau sur une surface liquide ou solide). Le préampli micro qu'il intègre a donc été étudié pour être très sensible tout en restant stable (sans osciller), deux caractéristiques qui ne font pas toujours bon ménage. 

Schéma

Pour des raisons de clarté, la partie supérieure montre la section préampli micro et la partie inférieure montre la section temporisateur. Ces deux parties peuvent sans problème être utilisées seules dans d'autres montages.

Choix du microphone

On peut utiliser un microphone dynamique ou electret, au choix. Si vous optez pour un dynamique, vous devez supprimer la résistance R1 puisqu'un tel micro n'a pas besoin d'alimentation pour fonctionner. Si vous optez pour un micro electret, laisser le schéma tel quel (voir page Alimentation d'un microphone electret au besoin). Dans tous les cas, vous devez utiliser un microphone qui soit le plus sensible possible, c'est à dire que pour une pression accoustique donnée il doit délivrer un niveau de sortie le plus élevé possible. La notion de sensibilité est en effet en relation directe avec l'amplitude du signal électrique en sortie du micro : plus la sensibilité est grande et plus le niveau de sortie est important pour une même pression accoustique reçue. Dans les docs fabricants ou revendeurs, le paramètre à regarder sera donc en priorité la sensibilité du micro, exprimée en dB (par exemple -45 dB ou -80 dB, les écarts entre différents micros peuvent être vraiment énormes), en mV / microbar ou en mV / Pascal (par exemple 1 mV / microbar ou 1 mV / Pascal). La bande passante, la linéarité de la bande passante et la fidélité de reproduction du micro n'a ici aucune espèce d'importance, on ne fait pas une prise de son.
Remarque : 1 Pa (Pascal) = 94 dBa (pression accoustique). Cette pression accoustique est émise à 1 mètre du micro et dans son axe principal, et on mesure ce qu'il sort. C'est la valeur lue à cet instant précis qui indique la sensibilité du micro.

Etage préamplificateur

Dans le cas qui nous concerne et quelque soit le type de microphone utilisé, le signal électrique disponible en sortie de la capsule aura une amplitude inférieure au millivolt ou très légèrement supérieure à cette valeur (son faible et capté à une certaine distance). Ce signal doit donc être amplifié de façon conséquente. C'est pourquoi l'étage préampli est constitué de deux étages amplificateur en tension montés en cascade, chacun apportant une amplification voisine de 40 dB (100 fois chacun). Ce qui fait au total la rondelette valeur de 80 dB, ce qui correspond à un taux d'amplification de 10000. Ce n'est pas rien puisque cela signifie qu'un signal entrant d'amplitude 100 uV ressort avec une amplitude de 1 V ! Essayer d'obtenir une telle amplification avec un seul étage amplificateur relèverait de l'exploit si on voulait garder une bonne bande passante et une bonne stabilité (utiliser un ampli vidéo large bande ne serait sans doute pas une bonne solution). Un potentiomètre de réglage de niveau est inséré entre les deux étages pour s'adapter aux conditions d'utilisation, il s'agit de RV1. Ce potentiomètre peut être de type linéaire (lin) ou logarithmique (log), mais un modèle log apportera plus de "souplesse" au réglage de sensibilité (merci Lionel pour ta remarque à ce sujet). L'amplification maximale est obtenue quand ce potentiomètre est en position max (curseur du côté de C4). En réalité, les deux étages amplificateur ont toujours le même gain de 40 dB mais on fournit au second amplificateur une portion plus ou moins importante de ce que délivre le premier. Les valeurs des composants sont calculées pour disposer d'une bande passante assez large avec le gain max annoncé. Avec les valeurs indiquées et pour le gain maximal, la bande passante à -3 dB du groupement des deux préamplis (Q1 et Q2) s'étale de 70 Hz à un peu plus de 6 kHz (on n'est pas dans la hifi, c'est sûr). Si on baisse un peu la sensibilité avec RV1, la bande bassante augmente et grimpe jusqu'à 20 kHz pour un gain de +60 dB. Le déplacement de la fréquence de coupure haute en fonction du réglage de RV1 est normal et dépend de la valeur donnée à ce potentiomètre et aux deux condensateurs qui l'encadrent. Pas mal mais pas forcement utile, la limite supérieure de 20 kHz pourra être abaissée si besoin, en augmentant la valeur des condensateurs C2 et C6 initialement de 33 pF. Si vous vous posez trop de questions sur ces histoires de bande passante et de gain et que cela embrouille votre esprit, utilisez les valeurs proposées et on n'en parle plus. Si vous observez des déclenchements intempestifs sur des vibrations de très basse fréquence (passage d'un camion à proximité, réaction au vent ou aux pas sur un plancher), vous pouvez réduire la valeur des condensateurs C1, C3, C4, C5, C7 et C8 dans un rapport de deux à quatre. Une solution mécanique sans doute préférable consiste à placer le micro sur ou dans un support caoutchouc qui absorbe en partie les vibrations (essayez donc avec un passe-fil pour câble secteur). Côté alimentation, une cellule RC de filtrage est ajoutée pour chacun des deux préamplis et pour le micro electret : cellule R14 / C10 pour l'ampli basé sur Q2, cellule R15 / C11 pour l'ampli basé sur Q1 et cellule R16 / C12 pour le microphone (si vous optez pour un micro dynamique, cette dernière cellule ne sera pas utilisée). Ces cellules de filtrage (de type passe-bas) limitent fortement les répercussions d'une chute (même légère) de l'alimentation sur le premier étage d'amplification. Vu l'amplification apporté par l'ensemble, la moindre fluctuation qui retournerait à l'entrée serait en effet amplifiée et ferait boule de neige, faisant entrer le circuit en oscillation et le rendrait ainsi totalement inexploitable (si ce n'est en oscillateur).
Remarque : il n'est peut-être pas superflu d'ajouter un petit filtre HF en série avec l'entrée micro pour éviter des déclenchement intempestifs lors de la réceptions de signaux HF importants (CB, téléphone portable).

Redressement 

Le redressement qui permet d'obtenir une commande logique (tout ou rien) à partir du signal audio alternatif (fortement amplifié) est confié aux diodes D1 et D2, aux condensateurs C8 et C9 et à la résistance R11. La tension continue obtenue sur la cathode de D2 (point commun avec R12) doit atteindre au moins 1 V pour faire conduire le transistor Q3 / BC517 (c'est un transistor de type darlington), ce qui signifie que l'on doit avoir une tension crête de l'ordre de 1,6 V sur l'anode de D2, et donc aussi en sortie du transistor Q2. Avec le réglage de sensibilité RV1 au maximum, cette valeur requise est obtenue pour une tension d'environ 200 uV à l'entrée du préamplificateur basé sur Q1. Il en faut un petit peu plus dans les fréquences très grave mais ce n'est pas le but recherché et ça nous arrange même. Quand le niveau de tension requis en entrée du montage (en sortie du microphone) est atteint, le transistor Q3 se met à conduire et on dispose ainsi au point A (collecteur de Q3) d'un signal logique qui passe de l'état haut (repos) à l'état bas (travail). C'est ce front logique descendant qui sera utilisé pour déclencher le temporisateur qui fait suite.

Temporisateur / retardateur

Cette portion de circuit est basée sur l'usage de deux monostables inclus dans un seul et même circuit intégré de type CD4538. Les deux monostables de ce circuit possédent chacun deux sorties complémentées qui sont Q et Q barre (bornes 6 et 7 pour le premier, bornes 10 et 9 pour le second). Le premier monostable est déclenché sur un front descendant (envoyé sur la broche -T) alors que le second est déclenché sur un front montant (envoyé sur la broche +T). La durée de l'impulsion de sortie du premier monostable (impulsion positive en borne 6 de U2:A et impulsion inverse en borne 7) est liée à la valeur des composants RV2, RV3 et C13. Si RV2 + RV3 = 100 kO et C13 = 1 uF, alors la durée de l'impulsion est de 0,1 seconde (pensez à la relation "1 MO + 1 uF = 1 sec" qui est facile à retenir). En portant la valeur du condensateur C13 à 10 uF, l'impulsion pourrait durer 1 seconde pour 100 kO et 10 secondes pour 1 MO (c'est juste pour info, vous n'avez pas besoin d'une telle durée ici). La durée exacte est ajustable grâce aux potentiomètrex RV2 et RV3 tous deux câblés en résistance ajustable : en position minimum, l'impulsion de sortie est très brêve, d'une fraction de seconde. En position maximum (curseurs de RV2 et RV3 côté +12 V), la durée de l'impulsion de sortie est de l'ordre de 1 seconde (durées valable pour les valeurs données sur le schéma). Entre ces deux extrèmes, vous avez donc le choix (1 ms, 10 ms ou 100 ms par exemple), sans changer de composant. Si vous souhaitez disposer d'une plage plus réduite avec pour valeur maximale un dizième de seconde, remplacez C13 par un modèle 100 nF. Le deuxième monostable (U2:B) est déclenché quand l'impulsion du premier monostable se termine et revient à l'état haut (souvenez-vous que la sortie utilisée du premier monostable est la sortie complémentée - broche 7, active à l'état logique bas). Une fois ce second monostable déclenché, l'impulsion dure 10 ms, ce qui est amplement suffisant pour amorcer le thyristor U1 / TIC106 au travers du transistor Q4 / BC547. Mais peut-être trop court dans certains cas, voir remarque de Lionel au paragraphe Prototype.

Etage de sortie

Le transistor Q4 est monté en suiveur de tension avec une petite particularité : son collecteur n'est pas relié directement au +Alim mais au condensateur C15 qui est chargé via R21 quand le système est au repos. Cette façon de faire permet "d'isoler" le circuit de déclenchement final du reste du circuit et notament du préampli micro. En gros, c'est le condensateur C15 qui fournit l'énergie pour amorcer le thyristor et non l'alimentation générale. Cela évite qu'une fluctuation trop importante de la tension d'alim ne parvienne au préampli micro (qui partage la même alim). La résistance R22 limite le courant de décharge de C15 dans la gachette du thyristor.

Alimentation

L'alimentation générale se fait sous une tension de +12 V par rapport à la masse. Il est fortement recommandé d'utiliser une petite alimentation secteur régulée, telle celle présentée à la page Alim simple 001, avec un régulateur de tension intégré de type LM7812. Vous pouvez utiliser un bloc secteur du commerce à la seule condition que celui-ci soit de type "régulé". Les modèles bas de gamme non régulés produisent une tension généralement bien plus importante que celle affichée et bénéficient d'un mauvais filtrage, qui serait catastrophique ici (la ronflette engendrée serait fortement amplifiée et la sortie du détecteur sonore serait toujours activée). Si vous tenez absolument à utiliser un tel bloc d'alimentation bas de gamme, cela est possible si sa tension de sortie reste supérieure d'au moins 3 V à la tension nécessaire ici, car il suffit alors d'ajouter un petit régulateur de tension (LM7812 si tension de sortie disponible de 15 V) pour disposer d'une tension plus propre et vraiment exploitable.

Prototype

Pas de proto de mon côté à proposer, mais quelques retours de la part de Lionel, qui l'a réalisé.

Prototype de Lionel

Réalisé sur plaque à bandes, les fils de couleur permettent un repérage aisé.

 
Dessin des liaisons : très bonne idée !

Retour de Lionel :
Voici 3 photos prises avec le détecteur, pour vous donner une idée.



2 ballons de baudruches et une ampoule explosés avec une balle (éclairage non travaillé, ce ne sont que des essais). Le déclanchement est vraiment reproductible (quelques centimètres d'écart entre plusieurs clichés de suite d'une balle prise à 200 m/s...) temps d'exposition 1/25000 seconde. Ma seule crainte était le temps mini de déclanchement mais en fait pas de problème, au réglage mini la balle n'est même pas sortie du canon du pistolet... incroyable. Rien à modifier sur le montage, c'est parfait. J'ai juste quelques remarques à formuler :

• 1 - La "courbe de réglage de sensibilité" du potentiomètre RV1 n'est pas très pratique à l'usage.
• 2 - Le montage ne fonctionne pas si les deux potentiomètres RV2 et RV3 sont tous les deux complètement à zéro.
• 3 - J'ai du augmenter la durée de l'impulsion délivrée par le second monostable, car pendant la prise de vue le flash pouvait se déclencher deux ou trois fois après le "top initial", selon le bruit provoqué par l'élement photographié. Pour cela, simple augmentation de la valeur de C14 et de R18 (passage à 22 uF et 1 MO).

Merci pour ces remarques fort utiles, que je commente ainsi :

• 1 - Si RV1 est de type linéaire (lin), le réglage est moins "logique" que s'il s'agit d'un modèle logarithmique (log). Comme pour un réglage de volume dans une chaîne audio, je conseille un modèle log.
• 2 - C'est exact, il faut une valeur de résistance minimale de 5 kO (indication donnée dans la feuille de caractéristiques du fabricant) pour que le monostable fonctionne correctement, et j'ai oublié de le mentionner. Je suggère l'ajout d'une résistance "talon" de 5,1 kO en série avec les deux potentiomètres RV2 et RV3. Il est également possible de mettre un petit potentiomètre ajustable de 10 kO à la place de la résistance de 5,1 kO pour régler précisement la durée minimale du retard quand RV2 et RV3 sont à leur minimum.
• 3 - Ah, je n'avais pas pensé à ce détail (je manque de pratique). Les lecteurs comprendront qu'on peut aussi rendre ajustable la durée de l'impulsion de déclenchement, avec par exemple un potentiomètre de 1 MO (en lieu et place de R18) et un condensateur de 10 uF à 22 uF (pour C14).

Et merci pour les photos, j'adore ce genre de cliché !

Circuit imprimé

Non terminé, vue 3D uniquement là pour donner un aperçu.


Circuit non terminé (et je n'ai pas prévu de le finir)

PCB de Eric V.

Circuit proposé par Eric V., que je remercie !



Typon de Eric V. (15/03/2015)

Historique

15/03/2015
- Ajout dessin de circuit imprimé (PCB) proposé par Eric V., que je remercie !
13/10/2013
- Nouvelles photos prises par Lionel avec le détecteur sonore 005. Encore merci !
15/09/2013
- Remarques concernant l'utilisation de ce montage, suite à retour d'un professionnel de la photo.
17/10/2010
- Première mise à disposition