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Sciences & Techniques: Le téléphone

Publié le 22/02/2012

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Converser avec un ami qui gîte à Toulouse quand on est soi-même à Wattrelos est d'une grande banalité. Il reste tout de même à savoir comment les paroles réconfortantes qu'on lui adresse devant une poignée de plastique blanc liée à un fil entortillé peuvent lui parvenir de manière quasi instantanée à 1 000 km de là. Au stade de développement qu'elles ont atteint aujourd'hui, les télécommunications nous apparaissent comme quelque chose de si naturel qu'on se demande comment personne n'y avait pensé avant. En vérité, tous les esprits inventifs avaient médité le sujet, et le tuyau acoustique était connu des Grecs ; mais il manquait de portée et, en fait, ce qui faisait défaut, c'était le transport d'énergie à longue distance - toute parole est une agitation de l'air, et cette agitation correspond à un petit paquet d'énergie qu'il faut faire voyager loin si l'on veut atteindre un correspondant qui est hors de portée de voix.

« Inversement, tout conducteur parcouru par un courant engendre un champ magnétique, lequel varie comme le courant.

Remarquonstout de suite que les deux énoncés ne sont pas strictement réciproques : si un conducteur traversé par un courant, qu'il soit variableou constant, engendre bien un champ magnétique, à l'inverse, un conducteur placé dans un champ magnétique constant n'est le sièged'aucun courant. Il faut qu'il y ait variation du champ pour qu'il y ait naissance d'un courant.

La différence entre les deux processus réside justement là.Toutes les machines électriques reposent sur ce principe : dynamos, alternateurs, moteurs, ampèremètres, transformateurs,servomécanismes et téléphones.

En ce dernier cas, on va le voir, la transformation du signal sonore en signal électrique et laconversion réciproque ne sont pas trop difficiles. Le processus fondamental en ce domaine, c'est la variation d'un champ magnétique à travers une bobine avec création d'un courant.Les ondes sonores n'étant qu'une oscillation des molécules de l'air, elles sont très faciles à détecter mécaniquement : une membranebien tendue vibre au même rythme que ces oscillations, ce qu'on peut vérifier facilement en posant le doigt dessus. Il ne reste plus alors qu'à coller un aimant sur cette membrane et à installer une bobine autour de cet aimant : toute vibration de lamembrane entraîne une oscillation de l'aimant qui lui est lié et donc une variation du champ qui traverse la bobine.

De ce fait, il y acréation d'un courant proportionnel aux oscillations : paroles, musique ou bruits sont transformés en signaux électriques conformes. Tel est le principe du microphone inventé par Graham Bell, mais il a un inconvénient : l'aimant, toujours massif, présente une inertiequi limite l'amplitude des oscillations de la membrane et donc l'intensité du signal électrique qui en découle.

Une solution nettementmeilleure consiste à coller la bobine, très légère, sur la membrane et à fixer l'aimant dans le boîtier du dispositif ; cette formule estcouramment employée sur les microphones qu'on appelle dynamiques. On peut aussi, montage classique, installer la bobine autour de l'aimant fixe et placer devant le tout une membrane en acier, lequel estun alliage ferromagnétique qui va modifier la direction des lignes de champ issues de tout aimant placé à proximité.

On met donc cettemembrane à ras de l'aimant fixe pourvu de sa bobine : les vibrations de l'acier engendrent des variations du champ qui baigne labobine, ce qui génère dans celle-ci un courant proportionnel aux oscillations. La transformation des sons en ondes électriques était donc assurée par un microphone de ce type dès l'époque de Graham Bell.

Il yavait toutefois un ennui : le rendement de l'émetteur était très faible, et le courant engendré par les vibrations de la plaque était très viteabsorbé par la résistance de la ligne.

La portée ne pouvait dépasser quelques dizaines de mètres.

En intercalant dans le circuit unepile électrique , Edison permit d'accroître la distance de manière sensible : au lieu d'envoyer un courant très faible modulé, on modulait un courant fort, ce qui était déjà plus efficace. Si l'on voulait une comparaison aquatique, le micro dynamique à aimant débite un petit filet d'eau oscillant.

Intercaler une batterie dansle circuit, c'est agiter à la bonne cadence la surface d'une rivière : les vagues ainsi produites peuvent se propager assez loin mais, àdistance suffisante, le cours d' eau aura retrouvé son calme.

Si l'on veut vraiment agir à des kilomètres, il faut carrément barrer la rivière avec une vanne qu'on montera et descendra au rythme voulu : cette fois, les oscillations du débit seront repérables à des dizaines dekilomètres. Pour la téléphonie, la solution consistait donc à barrer le circuit électrique avec un interrupteur variable dont la cadence serait moduléepar les ondes sonores.

C'est l'Anglais David Hughes qui inventa ce type d'interrupteur : il remplaça la bobine de Bell par une résistancevariable sensible aux ondes sonores ; le microphone à charbons était né, et il se porte toujours bien : il équipe la majorité descombinés téléphoniques actuels.

Mais, surtout, à une époque où on ne disposait pas d'amplificateur, il permettait d'avoir au départ defortes amplitudes sur des courants puissants. Le nouveau procédé avait pour lui un avantage supplémentaire : la simplicité ; en contrepartie, il n'offrait pas la fidélité des systèmes àbobine mobile, et son rendement musical n'était donc pas fabuleux. Cela tient à son principe même qui introduit la discontinuité là où il faudrait du continu.

Le microphone conçu par Hughes est en fait unédifice branlant, et c'est sur cette instabilité que repose la variation de résistance.

En pratique, il s'agit d'un charbon léger maintenuavec un certain jeu entre deux autres charbons.

Toute variation sonore est un ébranlement de l'air qui va se communiquer au charbonmobile, lequel va littéralement sautiller entre les deux autres.

Si on fait passer un courant entre les deux charbons fixes, la résistanceélectrique du montage va changer à chaque frémissement du charbon mobile : en effet, la zone de contact se trouve alternativementaugmentée ou diminuée selon que l'élément mobile se trouve plaqué sur les deux autres par une forte amplitude sonore ou qu'il est aucontraire presque flottant après le passage de cette forte amplitude. Or, l'onde sonore, répétons-le, est une succession régulière de pressions et de dépressions qui se traduisent par une oscillation desmolécules de l'air autour de leur point d'équilibre.

Ces oscillations, en appuyant plus ou moins le charbon mobile sur les élémentsfixes, vont se traduire par des variations de résistance en accord avec les mouvements de l'air.

Hughes avait donc créé un systèmeconvertissant les vibrations de l'air en oscillations de même fréquence de la résistance électrique. Conformément à la loi d'Ohm, V = Ri, et, pour une tension V donnée, l'intensité i circulant dans le circuit sera alors proportionnelle àl'amplitude et à la fréquence des ondes sonores.

L'opération inverse, à savoir la conversion du courant modulé en ondes sonores, neposait aucun problème puisque les microphones dynamiques du type conçu par Bell sont, comme toute machine électrique,réversibles : sollicités par une onde sonore, ils engendrent un courant ondulé de même fréquence ; inversement, si on leur envoie uncourant modulé, ils émettent des ondes sonores. En effet, si l'on reprend le microphone avec sa bobine et sa membrane métallique, toute variation de courant dans la bobine va donnernaissance à un champ magnétique variable, lequel attire plus ou moins la membrane en acier qui se met à osciller en accord avec le. »

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