Bobiner vos micros: Les bases (Episode 3)

LES AIMANTS

Pour caricaturer, un micro, c'est juste un aimant enroulé de fil de cuivre, rien de bien sorcier en définitive. Mais comme souvent, le diable se cache dans les détails et nos micros chéris ne dérogent pas à cette règle car chaque élément aura une incidence sur le son final.

Le premier paramètre sur lequel nous allons construire le son de notre micro est donc l'aimant que nous allons utiliser. Celui-ci est à choisir avec beaucoup de soin car il va influer drastiquement sur le son de votre micro et le niveau de sortie.

Dans le monde de la guitare, nous utilisons généralement trois grandes familles d'aimants permanents, les AlNiCo, les céramiques et les terres rares. Chaque type d'aimant possède des caractéristiques particulières qui marqueront le son de votre micro de leur empreinte et je vous propose d'en faire un petit tour d'horizon.

Prenons par exemple, les aimants AlNiCo. Comme leur nom l'indique, les aimants AlNiCo sont constitués d'un alliage de fer (environ 50%), d'aluminium, de nickel et suivant les cas, de cobalt et de cuivre. Je me doute que vous n'allez pas commencer à fondre vos propres aimant quoi que je sois sûr que certains y ont pensé (Si, je t'ai vu, ne mens pas!) mais je vais quand même vous donner la composition de chaque grade d'AlNiCo pour votre culture personnelle et accessoirement pour briller en soirée mondaine (Si on retrouve un jour, la douce insouciance des années pré-COVID...) 

Les aimants AlNiCo peuvent également contenir, en plus des matériaux cités ci-dessus, de faibles quantités de niobium, de silicium, d'hafnium et de zircon. Ces quantités peuvent varier dans un même grade d'AlNiCo suivant le mode de fabrication. Par exemple, les aimants moulés contiennent généralement plusieurs pour cent de niobium et d'hafnium car ils améliorent les propriétés magnétiques. Pour les aimants frittés, cette même concentration dégrade les propriétés mécaniques, affecte le rendement et produit un effet néfaste en termes de force magnétique ajoutées dans des proportions dépassant 0.7%. Ceci expliquant, en partie les différences de son que l'on peut constater sur des micros équipés d'aimants moulés ou frittés (de la a dire que les aimants frittés ont plus de patates, c'est marrant mais ce n'est pas le cas comme nous le verrons un peu plus bas). 

S'il peut être intéressant de savoir de quoi sont constitués nos aimants, ça ne nous en dit pas plus sur le sujet qui nous préoccupe.  Continuons...

1 - INDUCTION RESIDUELLE ET FORCE COERCITIVE

Les aimants AlNiCo ont une très haute induction résiduelle (Br). Cette caractéristique d'un aimant donne une idée de l'ampleur / de la force d'un champ magnétique qu'un alliage magnétique particulier peut générer. En règle générale, plus l'induction résiduelle est élevée, plus le champ magnétique peut être généré par un aimant. Pour nos applications, l'induction résiduelle ou rémanence se mesure en Gauss.

Lorsqu'un aimant est dit «magnétisé», cela signifie que pratiquement toutes les zones de l'aimant contribuent au champ magnétique net. Ces petites zones appelés domaines de Weiss «pointent» alors dans la même direction. Lorsque seules certaines zones pointent dans la même direction et que d'autres ne «contribuent» pas, l'aimant est partiellement magnétisé. Et enfin, lorsque tous les domaines sont randomisés et pointent dans des directions différentes, l'aimant est démagnétisé, car il n'y a pas de champ magnétique net utilisable.

La plupart des matériaux , y compris les aimants permanents, ne souhaitent pas être magnétisés car il y a une grande lutte interne entre les domaines. Rester à l'état magnétisé signifie que l'aimant est à un niveau d'énergie plus élevé. L'aimant tend naturellement à perdre l'orientation de ses domaines et atteindre un état d'énergie plus faible.

Il y a alignement de domaine dans une pièce d'acier lorsqu'un champ magnétique est appliqué, mais il se dissipe immédiatement lorsque le champ externe est supprimé. Divers mécanismes métallurgiques à l'intérieur de l'aimant contribuent à rendre un aimant AlNiCo «permanent».

L'auto-démagnétisation se produit au moment où le champ magnétisant est retiré de l'aimant après le processus de magnétisation. Tout comme deux aimants n'aiment pas que leurs pôles communs soient forcés ensemble (Nord/Nord ou Sud/Sud), il existe des forces à l'intérieur de l'aimant qui tendent à démagnétiser celui-ci. Le succès de ces forces d'auto-démagnétisation internes dépend de la capacité de l'aimant à résister à celles-ci, de sa forme, de la taille de l'aimant et de l'environnement de fonctionnement.

L'évaluation de la résistance d'un aimant à la démagnétisation, en particulier à «l'auto-démagnétisation», est appelée la force coercitive (Hc). Plus la force coercitive est élevée, plus un aimant résistera aux forces d'auto-démagnétisation. Pour nos applications, la force coercitive se mesure en Oersted. Si vous voulez vous représenter une idée des forces en jeu, essayez de maintenir dans votre main, une poignée d'aimants qui se repoussent. Les aimants voudront se retourner et se réorienter pour atteindre un état d'énergie plus faible où ils ne se repoussent pas, mais s'attirent. Cette condition d'attraction réduit considérablement le champ net et réduit l'utilité de l'aimant.

La capacité d'un aimant à résister à l'auto-démagnétisation est intimement lié à ses dimensions (oui, dans ce cas, la taille compte). Par exemple, un aimant de 3 mm de diamètre extérieur d'une longueur de 12 mm résistera mieux aux effets d'auto-démagnétisation qu'un aimant de 6 mm de long. Il y a un rapport entre la longueur magnétique d'un aimant et son diamètre (L / D), qui est utilisé pour juger du degré d'auto-démagnétisation qu'un aimant rencontrera. Pour l'Alnico 5, le L / D idéal est d'environ 4. Cela signifie que les aimants Alnico fonctionnent mieux lorsque leur longueur magnétique est de 4 fois leur surface polaire. (Pour les carrés et les rectangles, on peut calculer le diamètre équivalent pour la section transversale de l'aimant.)

Il existe des forces de démagnétisation autres que celles que nous venons d'aborder. La chaleur a un impact majeure sur les performances d'un aimant, mais l'Alnico possède la plus haute tolérance à la chaleur de tous les alliages commerciaux et pour notre utilisation, ce n'est généralement pas un problème.

Une autre force de démagnétisation majeure découle des champs magnétiques externes. Ces champs externes peuvent être issus de bobines ou d'aimants permanents voisins, etc. La caractéristique magnétique qui donne un aperçu d'une capacité magnétique à tolérer ces champs externes est la force coercitive intrinsèque (Hci).

L'induction résiduelle (Br) et la force coercitive (Hc) sont toutes deux importantes pour déterminer les performances d'un alliage magnétique dans une application et ces caractéristiques magnétiques sont les principales différences entre Alncio 5 et Alncio 8 . Un aimant doit avoir une induction magnétique et une force coercitive raisonnables pour être utile. Les aimants puissants qui se démagnétisent facilement ne sont pas utiles, ni les aimants faibles qui sont difficiles à démagnétiser.

Une question évidente peut être posée. Pourquoi un aimant Alnico 5 possède une induction résiduelle similaire à celle de certains aimants de terres rares comme le néodyme fer bore , mais semble moins puissant que ce dernier?

C'est parce que les aimants de terres rares ont une force coercitive beaucoup plus élevée. Comme décrit ci-dessus, leur impact d'auto-démagnétisation est beaucoup plus faible lorsque l'alliage a une force coercitive élevée. De grands champs magnétiques peuvent être générés avec Alncio 5, mais l'aimant doit être magnétiquement très long et utiliser des éléments en fer / acier pour aider à réduire les effets de l'auto-démagnétisation.

Cette capacité à résister à l'auto-démagnétisation et à avoir une force coercitive plus élevée est la raison pour laquelle Alnico 5 et Alnico 8 fonctionnent différemment en fonction de l'environnement opérationnel. Les données du deuxième tableau illustrent la différence de caractéristique magnétique entre l'Alnico 5 et 8. L'Alnico 5 a une induction résiduelle plus élevée, mais une force coercitive plus faible. Alnico 8 a une induction résiduelle plus faible, mais une force coercitive plus élevée. Cela suggère immédiatement que l'Alnico 8 aura un champ magnétique plus important que l'Alnico 5 lorsque les aimants sont courts par rapport à leur surface polaire.

Cependant, lorsque la géométrie de l'aimant est idéale ou que l'aimant est utilisé avec des éléments en fer / acier dans un circuit magnétique, les aimants Alnico 5 peuvent générer un champ magnétique plus fort... 

2 - PERMEABILITE MAGNETIQUE

La perméabilité magnétique est la capacité d'un matériaux à modifier un champs magnétique et donc, de déformer les lignes du flux magnétique. C'est à dire, concentrer le flux magnétique dans le matériau ou le repousser. La perméabilité magnétique se mesure en Henry par mètre (H/m). Plus un matériau possède une perméabilité magnétique élevée, plus il est apte à concentrer le flux magnétique. 

La perméabilité magnétique du matériau μ s'exprime par le produit de la perméabilité du vide μ0 (4π × 10−7 H/m) et de la perméabilité relative μr. La perméabilité relative dépend du matériau.

• Quand la perméabilité relative vaut 1 comme pour l'air ou le vide, elle n'a aucun effet sur le flux magnétique.
• Quand elle est inférieure à 1, elle repousse le flux magnétique.
• Quand elle est supérieur à 1, elle le concentre

μ = μ0 x μr

Vous allez me dire, c'est cool mais en quoi ça nous intéresse?
Si vous vous souvenez de l'article précédent, le ou les aimants ont pour rôle de magnétiser les cordes et c'est la variation du champs magnétique de la corde qui induit un courant dans la bobine quand la corde vibre.
Prenons l'exemple ci-contre. C'est un modèle 2D représentant les flux magnétiques entre un aimant AlNiCo 5 et une corde soit le schéma caractéristique d'un plot de micro simple bobinage et de sa corde. 

L'AlNiCo5, possède une perméabilité magnétique à peine supérieure à l'air. Les cordes, quand à elles sont constituées d'un alliage ferromagnétique avec une forte perméabilité magnétique qui concentre le champs dans la corde. Les lignes de champ les plus efficaces pour générer un courant dans la bobine seront celles qui traversent le noyau de celle ci. 
Avec une pièce polaire à haute perméabilité, comme l'acier à faible teneur en carbone généralement utilisée comme vis et slug dans un humbucker, le champ de la corde magnétisée est déformé et est efficacement attiré dans la pièce polaire, se concentrant dans le noyau de la bobine. 
Si nous reprenons la formule de l'inductance ci-dessous, nous constatons que la perméabilité magnétique (μ0μr) agit comme un multiplicateur d'inductance.

C'est une des raisons qui font que les P90, avec leurs vis en acier doux possèdent une inductance bien plus élevée qu'un simple bobinage de type Stratocaster malgré une différence minime du nombre de tours de fil entre les deux micros.

3 - INFLUENCE DE L'AIMANT SUR LE SON

Comme vous l'aurez surement compris, l'influence de l'aimant sur le son se résume à son action sur l'inductance du micro. Ce qui n'est pas négligeable car les caractéristiques de notre micro comme le niveau de sortie, la fréquence de résonance et le pic de résonance sont intimement liés à l'inductance (voir l'article précédent).

A bobine égale, plus un aimant sera puissant, plus votre micro génèrera de volume de sortie et d'aigus (jusqu'au pic de résonance). Si le gain de volume de sortie est intéressant, on ne veut pas forcement d'un surplus d'aigus. Heureusement, On pourra compenser le surplus d'aigu en bobinant plus de tours de fil (qui rajoutent également de l'inductance).
Bobiner un micro est un sport d'équilibriste où chaque détail a son importance pour atteindre le résultat espéré, c'est ce qui rend le bobinage si passionnant. 

Pour conclure

C'est tout pour aujourd'hui. Dans le prochain épisode, nous aborderons les fils, les bobines et les courants de foucault. Que de joyeusetés à venir!!!
Je vais probablement sortir une liste des caractéristiques de différents micros dans les jours à venir. Ca vous donnera des références afin de bobiner vos premiers micros. 
Caractéristiques  des micros commerciaux