La physique du téléphone : des ondes sonores aux signaux

Un téléphone est un système de transduction convertissant énergie acoustique ↔ énergie électrique ↔ ondes électromagnétiques. Voici la chaîne physique :

1. Acoustique → Mécanique (Microphone)

• Ondes sonores (variations pression, 20 Hz–20 kHz) frappent un diaphragme (MEMS capacitif, électret, bobine dynamique, ou granules de carbone vintage).
• Déplacement diaphragme x(t) ∝ pression p(t).
• Micro carbone (vintage) : Résistance R(t) varie avec compression → modulation courant.
• Électret/MEMS (moderne) : Capacité C(t) varie → modulation tension (haute impédance, nécessite buffer FET).
• Dynamique : Bobine bouge dans champ magnétique → tension induite v(t) = -N dΦ/dt.

2. Conditionnement signal électrique

• Préampli : Buffer haute impédance, gain (20-40 dB), filtre anti-repliement.
• CAN (Analogique-Numérique) : Échantillonnage 8 kHz (bande étroite), 16/24/48 kHz (large bande/bande complète), 12-16 bits. Compression μ-law / A-law (G.711) ou codecs modernes (Opus, EVS, AMR-WB).
• Paquetisation : Trames 20 ms → RTP/UDP/IP → Ethernet/Wi-Fi/Cellulaire.

3. Milieux de transmission

• Ligne fixe (RTC) : Analogique : bande de base électrique sur paire torsadée (DC + AC). Numérique : DS0 (64 kbps) dans hiérarchie TDM (T1/E1, SONET/SDH).
• Cellulaire : Modulation RF (OFDMA, SC-FDMA) sur spectre licencié (600 MHz–40 GHz). Ondes EM propagées via onde de sol, diffraction, diffusion, réflexion.
• VoIP : Paquets sur IP (fibre, coax, cuivre, sans fil). QoS (DiffServ, MPLS) priorise la voix.

4. Électrique → Mécanique → Acoustique (Récepteur/HP)

• Récepteur (écouteur) : Armature équilibrée (haut rendement, petit) ou driver dynamique. Déplacement diaphragme recrée onde de pression.
• Haut-parleur : Driver dynamique (bobine mobile) en enceinte ventilée. Plus grand déplacement pour SPL.
• Conduction osseuse : Transducteur piézo couple au crâne → cochlée directement.

5. La couche réseau (Commutation)

• Commutation de circuits (RTC) : Canal dédié 64 kbps bout-en-bout (signalisation SS7).
• Commutation de paquets (VoIP/4G/5G) : Multiplexage statistique, tampon gigue, PLC (dissimulation perte paquets).

📐 Constantes physiques clés

• Vitesse son dans l'air : 343 m/s (20°C).
• Vitesse EM dans fibre : ~2×10⁸ m/s (n=1,468).
• Vitesse EM dans cuivre : ~2×10⁸ m/s.
• Audition humaine : 20 Hz–20 kHz, seuil 0 dB SPL, douleur 120 dB.
• Bande passante téléphonie : 300-3400 Hz (bande étroite), 50-7000 Hz (large bande), 20-20000 Hz (bande complète).

En bref : Téléphone = micro (acoustique→électrique) + codec (analogique↔numérique) + réseau (commutation/routage) + HP (électrique→acoustique). Physique : mécanique, électromagnétisme, théorie information, traitement signal.