Prenez un Neumann KM 150. C'est un hypercardioïde, un micro de perche cinéma réputé pour sa capacité à découper une voix dans un décor bruyant. Enroulez maintenant une bande de gaffer autour de sa capsule, juste sur les petites fentes latérales. Relancez la même source, faites le tour du micro : il capte désormais presque autant par l'arrière que par l'avant. Vous venez de transformer un hyper en omni avec 10 cm d'adhésif.

Cette expérience résume à elle seule ce qu'est la directivité d'un microphone. Ce n'est pas une propriété magique de la membrane, ni une conséquence de la technologie (dynamique, ruban, statique). C'est une affaire de chemin acoustique : par où l'onde atteint-elle la face arrière de la membrane, avec quel retard, et avec quelle intensité ? Comprendre ça, c'est comprendre pourquoi deux cardioïdes « identiques » sur le papier ne restituent pas du tout la même pièce.

On commence par un récapitulatif des directivités de base, puis on démonte la mécanique, on mesure, et on finit sur le terrain.

Les directivités de base en un coup d'œil

La directivité décrit la sensibilité d'un micro en fonction de l'angle d'arrivée du son. On la représente par un diagramme polaire : 0° est l'axe du micro, et le rayon de la courbe indique la sensibilité relative à cet angle.

Où se trouve le 0° ? Le piège de la prise latérale

Avant de lire un diagramme polaire, il faut savoir d'où on le regarde. Par convention, 0° est l'axe principal de la capsule, la direction où la sensibilité est maximale. 180° est l'arrière, 90° et 270° les deux côtés. Ces quatre repères servent à toutes les directivités, de l'omni au canon.

Sur un micro crayon, un dynamique de chant ou un canon, l'axe prolonge le corps du micro : on vise la source avec le bout, c'est une prise frontale. Sur la plupart des large-membranes (Neumann U 87, AKG C414, ou un ruban comme le Coles 4038), la membrane est parallèle au corps : le 0° sort sur le côté, en général par la face qui porte le logo. C'est une prise latérale. Pointez le haut d'un U 87 vers la bouche d'un chanteur, comme un micro de scène, et vous enregistrez à 90°, là où un cardio a déjà perdu 6 dB et où le timbre se dégrade le plus.

Voici les sept profils que vous croiserez en studio, en live et en tournage.

Voici les trois profils fondamentaux tracés côte à côte. Tous les autres sont des mélanges de ces deux briques : l'omni et le bidirectionnel.

Le ruban, ou le bidirectionnel à l'état pur

Pour comprendre le 8, rien de plus parlant qu'un micro à ruban classique. Sa feuille d'aluminium, épaisse de quelques microns, est tendue entre deux pinces et totalement à l'air libre des deux côtés. Rien ne la protège de l'arrière : elle réagit donc à l'écart de pression entre ses deux faces, et à rien d'autre.

Une onde qui arrive de face la pousse vers l'arrière, ce qui donne une tension positive. La même onde venue de l'arrière la pousse dans l'autre sens, avec exactement la même amplitude. Le signal est identique mais inversé de 180°. Une onde qui arrive par la tranche (90°) atteint les deux faces au même instant et avec la même pression. Les forces s'opposent, le ruban ne bouge pas, la sortie est nulle.

Entre ces trois positions, la sensibilité suit le cosinus de l'angle : 0,707 (−3 dB) à 45°, 0,5 (−6 dB) à 60°, 0,17 (−15 dB) vers 80°. Le creux est donc très étroit et très profond. Ce n'est pas une zone floue mais un véritable plan de silence, qu'on exploitera au chapitre sur l'isolation.

Pression ou gradient : d'où vient la directivité

Un microphone est un transducteur électroacoustique. Il convertit une grandeur acoustique en tension électrique, et non en puissance : c'est la variation de cette tension qui forme l'image de l'onde captée. Entre les deux domaines, il y a toujours un intermédiaire mécanique, la membrane, dont le mouvement est converti en électricité par induction (bobine mobile, ruban) ou par variation de capacité (condensateur, électret).

Le capteur de pression : une seule face exposée

Si l'arrière de la membrane est enfermé dans une cavité étanche, seule sa face avant reçoit l'onde. La membrane réagit alors à la pression en un point, qui est une grandeur scalaire, sans notion de direction. Résultat : un omnidirectionnel. C'est pour cette raison qu'une capsule omni se reconnaît à l'œil nu : aucune ouïe sur le côté ou à l'arrière.

Le capteur de gradient : les deux faces exposées

Ouvrez complètement l'arrière, et la membrane ne réagit plus qu'à la différence de pression entre ses deux faces. Une onde qui arrive dans l'axe frappe l'avant puis l'arrière avec un léger retard, et la différence est maximale. Une onde qui arrive à 90° frappe les deux faces en même temps, la différence est nulle et la membrane ne bouge pas. C'est le bidirectionnel pur, avec une sensibilité qui suit exactement cos θ.

Entre ces deux extrêmes, on ramène une partie de l'onde à l'arrière de la membrane à travers des chicanes et des résistances acoustiques. On obtient ainsi toutes les directivités intermédiaires. Toute la conception d'une capsule directive tient dans le dosage de ce chemin arrière.

Fabriquer un cardioïde avec un simple retard

Comment une capsule unique peut-elle ignorer l'arrière ? En jouant sur le temps. Une ouïe latérale laisse entrer le son vers la face arrière de la membrane, mais par un chemin interne chargé d'une résistance acoustique (feutre, tissu, labyrinthe) qui le ralentit d'un retard τ. Le constructeur règle τ pour qu'il soit égal au temps que met le son pour aller, à l'extérieur, de l'ouïe jusqu'à l'avant de la membrane.

Prenons une ouïe à 1,5 cm de la membrane. Le son parcourt cette distance en 1,5 cm ÷ 343 m/s ≈ 44 µs, et la résistance acoustique est réglée pour τ = 44 µs.

• Son de face (0°) L'onde frappe l'avant de la membrane à t = 0. Elle doit encore longer le corps jusqu'à l'ouïe (44 µs), puis traverser le retard interne (44 µs) : elle atteint l'arrière à 88 µs. Les deux faces voient des pressions différentes, la membrane bouge, la sensibilité est maximale.
• Son de l'arrière (180°) L'onde atteint d'abord l'ouïe. Elle met 44 µs à rejoindre l'avant par l'extérieur, et 44 µs à rejoindre l'arrière par le chemin interne. Les deux faces reçoivent la même pression au même instant, la différence est nulle et le micro est muet : c'est le point mort du cardioïde.
• Entre les deux Le trajet extérieur effectif vaut d · cos θ, ce qui donne une sensibilité proportionnelle à τ + (d/c)·cos θ. Avec τ = d/c, on retombe exactement sur 0,5 + 0,5 cos θ : l'équation du cardioïde.

En réglant τ plus court que d/c, on déplace l'annulation vers les côtés, et on obtient un super ou un hyper avec ses deux points morts obliques. Un τ plus long donne au contraire un infracardio. L'atténuation d'un son arrière par rapport au même son de face s'appelle le rapport avant/arrière, exprimé en dB. Infini en théorie pour un cardio, il dépasse rarement 20 à 25 dB en mesure réelle à 1 kHz, et se dégrade aux deux extrémités du spectre.

Une seule équation pour toute la famille

Toutes les directivités dites « d'ordre 1 », c'est-à-dire la quasi-totalité des micros de studio, obéissent à la même équation polaire :

ρ est la sensibilité relative, θ l'angle d'incidence et α le coefficient de directivité, compris entre 0 et 1. Avec α = 0, il ne reste que le terme constant : ρ vaut 1 partout, c'est l'omni. Avec α = 1, il ne reste que cos θ : c'est le bidirectionnel. Tout le reste est un mélange pondéré des deux.

L'angle de prise de son se lit à l'endroit où la courbe croise ρ = 0,707, soit −3 dB. Pour un cardioïde, 0,5 + 0,5 cos θ = 0,707 donne θ = 65,5°, donc une ouverture totale de 131°. Le même calcul fournit toutes les valeurs du tableau.

Le facteur de distance indique combien on peut reculer le micro par rapport à un omni en gardant le même rapport champ direct / champ réverbéré. Un hyper placé à 2 m entend la même proportion de salle qu'un omni placé à 1 m. C'est la donnée la plus utile en prise de son et la moins lue.

Super ou hyper : une question de vocabulaire

Tout ce qui se situe entre le cardioïde (0,5) et le bidirectionnel (1) est, par définition, supercardioïde. L'hypercardioïde n'est qu'un point particulier de cette zone, α = 0,75, celui qui maximise le rejet du champ diffus. Symétriquement, tout ce qui est en dessous de 0,5 est infracardioïde. Dans la réalité, aucun fabricant ne tombe pile sur ces valeurs : chaque capsule est un compromis réglé pendant des années de mise au point. Une Schoeps MK 41 se situe un peu sous 0,75, un Beyerdynamic M160 un peu au-dessus.

Ce lobe arrière qu'on dessine au mauvais endroit

Dès que α dépasse 0,5, même à 0,51, le terme (1 − α) + α cos θ devient négatif à l'arrière. Le micro capte à nouveau, mais en opposition de polarité par rapport à l'avant. Mathématiquement, ce lobe se trace du côté opposé, et la courbe reste continue et dérivable en tout point. La plupart des documentations le replient vers l'arrière, parfois avec un signe « − », par commodité de lecture. Ce n'est pas faux, mais la cassure qu'on voit alors dans la courbe trahit une convention de dessin, pas une réalité physique.

Qui isole vraiment le mieux ?

Demandez autour de vous quel micro est le plus directif. La réponse sera presque toujours « l'hyper ». Elle est juste sur un critère et fausse sur un autre. Tout dépend de ce que vous cherchez à rejeter.

Contre la réverbération : l'hyper gagne

Dans un champ diffus, où le son arrive de partout avec la même énergie, c'est l'indice de directivité qui compte. L'hyper culmine à 6,0 dB, contre 4,8 dB pour le cardio et le bi. Pour réduire la part de salle à distance égale, l'hyper reste le champion.

Contre une source précise : le bi est redoutable

Une prise de son ne se fait pas sur une feuille de papier mais en trois dimensions. Il faut donc raisonner en angle solide, le « cône » de l'espace où le micro est à moins de 3 dB de sa sensibilité maximale. Les valeurs sont très parlantes :

Chaque lobe du bidirectionnel est le plus étroit de toute la famille. Surtout, son point mort n'est pas un point : c'est un plan entier, un disque de silence à 90° tout autour du micro. Aucun cardio ni hyper n'offre ça. Si la source gênante se trouve dans ce plan, elle disparaît presque totalement, quelle que soit sa position autour du micro.

L'exemple le plus parlant est celui d'un chanteur qui s'accompagne au piano. Avec un bi au-dessus de la voix, orienté pour que le piano tombe dans le plan à 90°, on n'entend presque plus l'instrument dans la piste chant, ou alors surtout par les réflexions de la pièce. Avec un cardio ou un hyper au même endroit, le piano entre largement par les côtés, là où ces directivités sont encore à −6 ou −10 dB. Le lobe arrière, lui, ne gêne pas tant qu'on ne le pointe pas vers une autre source.

C'est aussi pour cette raison que les commentateurs de Formule 1 utilisent le Coles 4104 : un ruban bidirectionnel tenu contre les lèvres. La voix est dans l'axe, le vacarme du circuit arrive majoritairement de côté, dans le plan mort.

Comment une capsule fabrique sa directivité

Il existe deux grandes façons de régler une directivité : acoustiquement, en dosant ce qui atteint l'arrière d'une membrane unique, ou électriquement, en combinant deux capsules cardioïdes dos à dos. Les petites capsules utilisent la première méthode, les micros multi-directivités à large membrane la seconde.

Pour un condensateur, le principe électrique de base est le même dans les deux cas. La capacité vaut C = ε₀·S / d, où S est la surface des armatures et d leur écartement. La membrane (un film de Mylar métallisé) forme l'armature mobile, face à une contre-électrode fixe percée de trous. Quand la pression fait varier d, la capacité varie. Comme la capsule est chargée par une tension de polarisation (fournie par l'alimentation fantôme ou une tension interne), cette variation se traduit en tension de sortie.

Petite membrane : le réglage acoustique

Sur une capsule directive, les ouïes latérales ramènent l'onde vers l'arrière de la membrane. Ce chemin passe par de minuscules canaux chargés de résistances acoustiques, qui ne laissent passer qu'une fraction de l'énergie, avec un retard calibré. Avec tout l'arrière ouvert sans résistance, on aurait un bi. Avec l'arrière fermé, on aurait un omni. Le dosage entre les deux fixe α.

La Schoeps MK 5 rend le principe visible : une petite tirette obture ou libère ces ouïes. Il n'y a que deux positions, omni ou cardio, et pas d'intermédiaire. La MK 41 utilise un chemin arrière plus « ouvert » et devient supercardioïde. C'est exactement ce que fait notre bande de gaffer sur le KM 150 : en bouchant les ouïes, on supprime le gradient et il ne reste qu'un capteur de pression.

Double membrane : le réglage électrique

Les large-membranes multi-directivités (Neumann U 87 et U 89, AKG C414, Telefunken…) contiennent en réalité deux capsules cardioïdes collées dos à dos, autour d'une contre-électrode commune. Les membranes restent au même potentiel. Ce qu'on change avec le commutateur, c'est la tension de polarisation de la moitié arrière.

Si l'arrière est à 0 V, la capsule arrière n'est plus polarisée, donc muette : il reste le cardio avant. Si l'arrière est à la même tension que l'avant (par exemple +60 V), les deux cardios s'additionnent point par point et donnent un omni. Si l'arrière est en polarité inverse (−60 V), ils se soustraient et donnent un bi. Les positions intermédiaires utilisent des tensions partielles : sur un U 89, +13 V pour l'infracardio et −23 V pour le super. Avec k = V_arrière / 60 V, la directivité obtenue vaut simplement α = (1 − k) / 2.

Micros canons : le prix de l'ordre supérieur

Si l'on pousse le principe plus loin, avec des termes en cos²θ, cos³θ et au-delà, la directivité s'affine. Un ordre 11 dessine un pinceau très étroit. C'est le territoire des micros à interférences : canons et semi-canons comme le Sennheiser MKH 416 ou le Neumann KMR 81, et les canons longs qu'on voit en bord de terrain pour capter l'impact du ballon.

Leur tube percé de fentes fait arriver les sons latéraux par plusieurs chemins de longueurs différentes, qui s'annulent partiellement. Le problème vient de ce que ces annulations dépendent de la longueur d'onde. Hors axe, certaines fréquences s'éteignent et d'autres passent : le diagramme polaire change de forme d'une octave à l'autre. Il en résulte une coloration en peigne de tout ce qui n'est pas dans l'axe.

Tournez autour d'un 416 en parlant : dans l'axe, la voix est propre. À 90°, elle devient creuse et métallique. À 180°, elle est méconnaissable. Or en prise de son réelle, tout ce qui n'est pas dans l'axe, c'est l'ambiance et la pièce. Elle sera dénaturée en permanence.

La directivité réelle change avec la fréquence

Tout ce qui précède est vrai… dans le grave. Les diagrammes théoriques supposent un micro infiniment petit devant la longueur d'onde. À 100 Hz, la longueur d'onde vaut 3,4 m et l'hypothèse tient parfaitement. À 16 kHz, elle tombe à 2,1 cm, soit à peu près le diamètre d'une petite capsule. Le corps du micro fait alors écran, et l'onde diffracte autour.

L'omni qui n'en est plus un

Une Schoeps MK 5 en position omni dessine un cercle parfait jusqu'à 2 kHz. À 8 kHz, l'arrière commence à s'effondrer. À 16 kHz, elle descend à environ −15 dB à l'arrière : dans l'extrême aigu, notre omni se comporte comme un micro directif. En rotation autour du micro, on l'entend clairement : le niveau reste stable, mais le timbre s'assombrit à l'arrière.

Le cardio qui tient sa promesse

Ironiquement, la même capsule en cardio colle beaucoup mieux à la théorie, parce que le réglage acoustique du chemin arrière compense en partie la diffraction. En rotation, on entend surtout une baisse de niveau, sans changement de timbre. Ce qui change à l'arrière, c'est l'équilibre de la pièce elle-même. Une oreille entraînée distingue très bien le son direct du « magma » réverbéré qui revient du local. Le Sennheiser MKH 30 en bidirectionnel est un autre exemple remarquable : sa directivité mesurée se superpose presque à la courbe théorique, et à 90° il n'y a littéralement plus que la salle.

Large membrane : le problème des 90°

Sur une capsule large d'environ 2,5 cm, une onde qui arrive par le côté ne frappe pas la membrane partout en même temps. Dans l'aigu, quand la longueur d'onde devient comparable au diamètre, des zones de la membrane travaillent en opposition et s'annulent. Conséquence : quelle que soit la directivité choisie, la plupart des large-membranes deviennent quasi bidirectionnelles dans les hautes fréquences, avec un creux marqué à 90°.

Certains modèles d'entrée de gamme ajoutent leurs propres défauts. Sur un Aston Spirit, par exemple, le constructeur publie le diagramme omni à 1 kHz seulement. Les courbes cardio publiées, elles, changent radicalement de forme d'une fréquence à l'autre (quasi omni à 500 Hz, infracardio à 1 kHz…). À l'écoute en rotation, le timbre varie fortement, et la grille à lamelles semble entrer en résonance avec certaines fréquences. Le micro paraît « zingué ».

C'est la conclusion pratique la plus importante de ce chapitre. La courbe dans l'axe ne décrit qu'une partie de ce que vous enregistrez. Dans une salle vivante, l'essentiel de l'énergie réverbérée entre par les côtés et l'arrière, et passe donc par la réponse hors axe. Deux micros à la courbe axiale identique peuvent donner deux pièces totalement différentes.

Bonnettes, gaffer et effet de proximité

Tout ce qui entoure la capsule modifie la directivité

Puisque la directivité dépend du chemin vers l'arrière de la membrane, tout obstacle autour des ouïes la modifie. Le gaffer du KM 150 en est la version extrême. Mais une bonnette en mousse épaisse, comme la Schoeps W 20 sur une MK 41, suffit déjà à faire glisser le supercardio vers le cardio. Une suspension type Rycote avec sa cage et sa fourrure fait chuter la directivité de la même manière, et atténue nettement l'aigu.

Peu de preneurs de son en tiennent compte. En extérieur dans le vent, on n'a pas le choix. En intérieur calme, retirez la protection : vous retrouverez la directivité et l'aigu pour lesquels vous avez choisi ce micro.

L'effet de proximité : une affaire de gradient

Près d'une source, l'onde n'est plus plane mais sphérique, et la différence de pression entre l'avant et l'arrière de la membrane augmente dans le grave. Cette cause est bien dans le champ acoustique. Mais seul un capteur sensible au gradient la traduit en excès de grave. Un omni à pression pur n'a pas d'effet de proximité. Plus la part de gradient est forte, plus l'effet est marqué.

Ordre de grandeur : à 5 cm d'une source et à 100 Hz, la remontée théorique est d'environ +21 dB pour un bidirectionnel, +15 dB pour un cardioïde, et 0 dB pour un omni à pression. D'où le son « tout en grave » d'un chanteur qui colle les lèvres à la grille d'un dynamique cardio, et la diction plus neutre d'un omni à la même distance.

Lire une fiche technique sans se faire avoir

Une fiche constructeur contient beaucoup plus d'informations qu'on ne le croit, à condition de savoir les décoder et de les recouper. Exemple avec le Neumann KM 150, l'hypercardioïde de notre expérience au gaffer.

dBu, dBV : deux références pour la même tension

Les deux sont des décibels de tension. Le dBu est référencé à 0,775 V, la référence historique du monde professionnel. Le dBV est référencé à 1 V : c'est celui du grand public, avec son niveau ligne à −10 dBV. Les constructeurs allemands affichent souvent leurs sensibilités en dBV. Pour passer de l'un à l'autre, il suffit d'ajouter environ 2,2 dB : −40 dBV = −37,8 dBu.

La pondération A, ce maquillage légal

La courbe A imite la sensibilité de l'oreille à bas niveau. Elle retire environ 39 dB dans le tiers d'octave de 31,5 Hz et ajoute un peu plus de 1 dB vers 2,5 kHz. Un bruit pondéré A paraît donc toujours meilleur, ici de 9 dB (18 contre 27). Pour comparer deux micros, comparez des valeurs mesurées avec la même pondération.

Choisir sa directivité selon le local

La directivité ne se choisit pas seulement d'après la source. Elle se choisit d'abord d'après la pièce, parce que c'est la pièce qui entre par tout ce qui n'est pas l'axe.

Questions fréquentes sur la directivité des microphones