Une mini sirène à note modulée

Voici un avertisseur acoustique puissant et efficace, pouvant être utilisé dans les systèmes d’alarme. Cet appareil est capable d’émettre un son particulièrement pénétrant grâce à un transducteur piézoélectrique. Sa faible consommation lui confère une grande autonomie, même lorsqu’il fonctionne alimenté à l’aide de piles.


Lorsqu’on désire réaliser un système d’alarme, il faut toujours garder bien à l’esprit chaque détail, en choisissant avec soin les capteurs, les activateurs adaptés, sans oublier, bien sûr, l’unité de contrôle, toujours munie d’une batterie “tampon” qui devra maintenir le tout en fonction pendant les périodes d’absence du courant de secteur.
Parmi les différents composants, il faut accorder une attention toute particulière à la sirène, l’avertisseur acoustique par excellence.
C’est, en effet, l’élément qui attire le plus l’attention et signale le mieux l’état d’alarme.
Il est vrai qu’aujourd’hui, habitués aux sons de mille sirènes d’antivols de maisons, de magasins et de voitures, les passants n’y prêtent plus guère attention. On ne peut toutefois pas nier qu’un bon avertisseur capable d’émettre une note forte et pénétrante permet de savoir, même à distance, que l’antivol s’est déclenché.
Naturellement, un bon système d’alarme, pour être complet, devrait également disposer d’un transmetteur téléphonique (fixe ou mobile) ou de n’importe quel autre outil de téléalarme (même par radio), capable de prévenir à distance le propriétaire.
Mais, même s’il s’avère être très utile, un tel dispositif reste, toutefois, un élément complémentaire rarement disponible dans des installations courantes.
Ce qui, par contre, ne manque jamais dans un système d’alarme (antivol, anti-incendie, etc.), c’est un avertisseur acoustique, qu’il soit électromécanique (à ventilation) ou magnétodynamique.
D’autre part, ce qui se déclenche immédiatement, lors d’une intrusion dans une banque, dans une bijouterie, dans une maison, un hangar, c’est toujours la sirène, parfois accompagnée d’un gyrophare.
Ce sont là les signaux qui, dans l’imaginaire collectif, représentent mieux que n’importe quel autre un danger provenant d’un vol, d’une explosion, d’un incendie, etc.
Etant donné l’importance du champ d’application, nous avons décidé de vous proposer le montage d’une sirène électronique, un avertisseur capable de produire une note modulée en fréquence à “glissement”, c’est-à-dire un signal sonore dont la fréquence varie continuellement d’un maximum à un minimum et vice-versa, reproduisant ainsi l’effet acoustique typique des avertisseurs antivols.
Le circuit, en soi, est vraiment très simple et à la portée de tous. Il peut être réalisé même par le plus inexpérimenté des débutants. Le seul composant un peu critique est le transformateur élévateur, que l’on peut d’ailleurs réaliser soi-même.

Le schéma électrique
Notre sirène est essentiellement composée d’une unité de contrôle et d’un transducteur piézoélectrique : le premier est le générateur de haute tension modulée en fréquence, tandis que le second n’est autre qu’un “mid-tweeter” (haut-parleur médium) piézoélectrique à haute tension, qui se relie à la sortie du transformateur élévateur TF1 (voir figure 1).
Voyons à présent le circuit, en rappelant qu’il produit une note acoustique dont la fréquence glisse continuellement entre deux valeurs, une maximale et une minimale.
On remarque quatre blocs principaux, c’est-à-dire deux multivibrateurs astables à amplificateurs opérationnels, un double comparateur “push-pull” ainsi qu’un transformateur élévateur.
L’un des deux oscillateurs est modulé tandis que l’autre sert de modulateur, même si on prélève de celui-ci la tension presque triangulaire due aux cycles de charge et de décharge du condensateur de temporisation et non la tension de sortie.
Les deux oscillateurs sont basés sur le schéma classique du multivibrateur astable à amplificateurs opérationnels, c’est pourquoi nous ne ferons qu’une seule description qui servira pour leur réalisation.
Analysons maintenant U1c, c’est-à-dire l’un des quatre comparateurs contenus dans le LM339 référencé U1.
Nous pouvons observer qu’il travaille dans une configuration où il est en contre-réaction positive et négative par l’intermédiaire d’un circuit R/C.
Le schéma est légèrement modifié par rapport au schéma classique, car le circuit intégré fonctionne à l’aide d’une seule alimentation et a donc besoin d’une tension de référence appliquée à la broche non-inverseuse de chaque comparateur qui servira d’oscillateur.
La polarisation sert essentiellement à maintenir au repos la sortie de chaque élément à la moitié de la tension d’alimentation du circuit tout entier : donc, si l’ensemble fonctionne à 12 volts, entre les broches 13, 2 et la masse, on devrait trouver environ 6 V.
Au début seulement, bien sûr, puisque juste après l’activation, les deux multivibrateurs commencent à osciller, fournissant tous les deux une onde rectangulaire.
La tension de 0 volt de la broche inverseuse et la polarisation fournie par le pont diviseur R3/R4 (commun à U1c et U1d), font en sorte que le comparateur porte sa propre sortie au niveau haut (environ +12 V). Cela provoque la charge du condensateur par l’intermédiaire de R13 et de R14, en un laps de temps qui dépend de la valeur du réseau de résistance.
C3 accumule de l’énergie jusqu’au moment où la tension entre ses armatures dépasse celle déterminée par le pont diviseur de contreréaction positive R11/R9 appliquée à la broche 5.
A ce stade, la sortie (broche 2) commute en passant au niveau bas (0 volt) en déterminant ainsi la décharge de C3, par l’intermédiaire du circuit R13/R14.
Sous l’effet du pont diviseur de polarisation et de R11/R9, la broche 5 reçoit alors une tension bien plus basse, inférieure à celle de l’alimentation et en théorie égale à :

1/2 V x R11 / (R11 + R9)

La tension qui se trouve aux bornes du condensateur chute jusqu’à ce qu’elle devienne inférieure à celle due à la contre-réaction positive, alors que le comparateur commute à nouveau en ramenant sa propre sortie au niveau haut.
La broche 5 reçoit encore la tension de seuil la plus haute (la somme de 1/2 V et de l’apport provenant de la sortie par l’intermédiaire de R11 et R9) et le condensateur C3 se recharge.
Comme nous l’avons déjà vu, dès que la tension aux bornes de C3 aura atteint une fois de plus le seuil supérieur, le comparateur fera alors enregistrer une autre commutation à sa propre sortie, en portant la broche 2 au niveau bas, et en recommençant le cycle.
Il s’instaure donc un phénomène répétitif qui détermine une sorte d’onde rectangulaire entre la broche 2 et la masse, ainsi qu’une sorte de signal rectangulaire dont les rampes ascendantes et descendantes sont en réalité des bouts d’une courbe exponentielle, aux bornes de C3.
Cela se produit dans les deux multivibrateurs, bien que le multivibrateur principal opère à une fréquence qui est modulée par celle produite par U1d.
C’est pour cette raison que, tandis que U1c travaille avec quelques kilohertz seulement, l’oscillateur de modulation (U1d) génère plus ou moins une dizaine de hertz, justement parce que c’est avec cette fréquence qu’il devra faire glisser la note produite par le premier.
Si l’on désire obtenir une modulation progressive et non un son bitonal, on ne peut pas utiliser le signal rectangulaire qui sort de la broche 13 mais on doit faire appel à un signal analogique continu. C’est pour cela que nous utilisons la tension qui se trouve aux bornes du condensateur C1.
Il s’agit d’une forme d’onde presque triangulaire et qui se prête très bien à être superposée à la tension de polarisation déterminée par le pont diviseur R3/R4.
Ceci dit, nous pouvons déjà imaginer quels effets pourraient avoir l’application d’une tension variable sur la contre-réaction de l’astable principal. La superposition de la forme d’onde triangulaire, à fréquence beaucoup plus basse que celle produite par U1c, ne sert, en fait, qu’à déplacer les seuils de commutation de ce dernier comparateur.
Cela a pour effet le déplacement immédiat de la fréquence d’oscillation qui se trouve sur la broche 2, fréquence qui passe continuellement d’une valeur maximale à une valeur minimale et vice-versa, progressivement.
Ceci étant dit, passons maintenant à l’étage suivant, c’est-à-dire au double comparateur qui sert de driver pour l’étage pull-push : il est composé de U1a et U1b. Tous les deux pilotés par le seul signal prélevé en sortie de U1c et connectés de façon à toujours donner des niveaux logiques opposés.
En effet, chacun prend comme référence le potentiel fourni par le diviseur R3/R4, avec pour seule différence que U1a le reçoit sur sa broche 9 (non-inverseuse), tandis que U1b le reçoit sur sa broche 6 (inverseuse).
Le résultat est que, lorsque la broche 2 du circuit intégré fournit un état logique haut, U1a porte sa propre sortie à 0 volt, tandis que U1b porte la broche 1 à environ 12 V.
Et inversement: lorsque la sortie de l’oscillateur principal présente un niveau logique bas, la broche 14 se trouve à 12 V et la broche 1 à 0volt.
Le rôle de l’inverseur est donc de polariser de façon alternée les deux transistors (T1 et T2) qui alimentent à leur tour les deux parties du primaire de l’autotransformateur élévateur TF1.
Nous avons donc besoin d’un fonctionnement de type push-pull, de façon à faire passer le courant tantôt dans une partie du primaire, tantôt dans l’autre, obtenant ainsi entre les bornes de sortie (SIRENE) une tension alternative d’une amplitude considérable (environ 50 Veff.), suffisante pour faire émettre au transducteur piézoélectrique des notes acoustiques à la pression sonore maximale (plus de 110 dB).
Le collecteur de T1 fait passer du courant dans la première partie de l’enroulement primaire, fermé à masse au point central, déterminant ainsi dans le secondaire relié à la sirène (l’enroulement figurant tout en bas du schéma électrique), une impulsion négative dont l’amplitude est d’environ 50 V et qui vient s’ajouter à celle de la tension induite dans le primaire B-C.
On obtient ainsi un peu moins de 60 volts, desquels sont soustraits les 11 volts provenant du collecteur sur la borne A.
Sur les broches du transducteur piézoélectrique, on trouve donc une impulsion dont l’amplitude est de l’ordre des 48 volts. Et inversement, dès que l’état de la sortie de U1c est inversé, c’est-à-dire lorsque celle-ci passe au niveau logique zéro, la broche 14 passe au niveau logique haut en laissant T1 s’éteindre, tandis que la broche 1 passe au niveau logique zéro, en saturant T2.
A présent, c’est ce dernier qui, par l’intermédiaire de son propre collecteur, alimente l’autre partie du primaire, c’est-à-dire l’enroulement central, lui aussi fermé à masse à la jonction.
Cela provoque, sur la borne de droite (SIRENE), une impulsion positive qui va alimenter le haut-parleur piézoélectrique, par rapport à celle de gauche (A).
A noter que, cette fois-ci, la tension induite sur le primaire A-B s’ajoute, parce qu’elle est en phase avec l’impulsion. Il faut soustraire au résultat la chute sur l’enroulement B-C.
Ce fonctionnement a été obtenu en calculant les dimensions des enroulements: en effet, A-B a un nombre de spires qui dépasse d’environ 20 % celui de B-C.

Figure 1: Schéma électrique de la commande de sirène à note modulée.

Figure 2: Le circuit électronique et le transducteur piézoélectrique ont tous les deux été placés dans un coffret plastique de dimensions adéquates.
Remarquez, à gauche du circuit imprimé, le trimmer de réglage de la fréquence de travail de la sirène.


Figure 3 : Schéma d’implantation des composants de la commande de sirène.

Figure 4: Le circuit de commande du transducteur piézoélectrique est vraiment très simple. Le seul composant un peu critique, c’est le transformateur à fabriquer soi-même en suivant les instructions fournies dans l’article.

Figure 5 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la commande de sirène.

Liste des composants
R1 = 470 Ω
R2 = 470 Ω
R3 = 10 kΩ
R4 = 10 kΩ
R5 = 2,7 kΩ
R6 = 10 kΩ
R7 = 470 kΩ
R8 = 1 MΩ
R9 = 470 kΩ
R10 = 1 MΩ
R11 = 470 kΩ
R12 = 10 kΩ
R13 = 39 kΩ
R14 = 100 kΩ
C1 = 10 μF 63 V électrolytique
C2 = 100 μF 16 V électrolytique
C3 = 2200 pF céramique
T1 = NPN BC327
T2 = NPN BC327
U1 = Intégré LM339
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4148
D3 = Diode 1N4148
D4 = Diode 1N4148
TF1 = Autotransformateur (voir texte)

Divers :
1 Support 2 x 7 broches
2 Borniers 2 pôles
1 Transducteur piézo PZ11
1 Circuit imprimé réf. MO34


Figure 6 : Le transducteur piézoélectrique
L’efficacité et l’intensité du son produit dépendent d’un transducteur spécifique, un mid-tweeter (haut-parleur médium) piézoélectrique à haute tension, qui est généralement monté dans les sirènes d’appartement et de voitures. Piloté par le signal modulé produit par le circuit décrit dans ces lignes, il permet d’entendre l’alarme à une distance considérable, tout en consommant peu de courant (les éléments piézoélectriques consomment beaucoup moins que les haut-parleurs traditionnels de 8 ohms…) tout en garantissant un rendu maximal pour un encombrement minimal.
Caractéristique qui a son importance : il ne pèse que quelques dizaines de grammes. La sirène toute entière peut donc trouver sa place facilement et être montée à peu près n’importe où et sans aucun problème, à l’aide d’une fixation légère.
Le mid-tweeter est essentiellement un haut-parleur pour notes médium-aiguës dont le centre est une pastille piézoélectrique fixée au fond du bâti. La surface qui émet la vibration est placée à l’intérieur de la gorge d’une trompe exponentielle particulière raccourcie et repliée, qui charge la membrane piézoélectrique en augmentant fortement l’intensité de l’émission sonore, au point d’atteindre une pression acoustique de 100 dB à 1 mètre de distance, sous une tension de 10 V (environ 1 W de puissance dissipée) à la fréquence de 4 kHz.
Vous pourrez entendre le résultat de vos propres oreilles lorsque le montage sera terminé !




Les principales caractéristiques du transducteur peuvent être résumées ainsi :
Réponse en fréquence ........................... de 2 à 20 kHz
Fréquence de résonance ......................... 4 kHz
Tension maximale de pic ........................ 150 V
Tension maximale efficace ...................... 53 V
Impédance (@ 1 kHz) ............................ 500 ohms
Efficacité à 4 kHz (@ 1 m, 10 Veff.) ........... 100 dB
Angle de dispersion ............................ 80°
Poids .......................................... 60 g


Figure 7 : Brochage du LM339.

En pratique
Pour construire cette sirène, il faut réaliser ou vous procurer le circuit imprimé ainsi que les composants de la liste (voir figure 5).
Une fois le circuit imprimé gravé et percé, on peut, en s’inspirant des figures 3 et 4, insérer puis souder les quelques composants nécessaires, en commençant par les résistances, les diodes, puis le trimmer et enfin le support de l’unique circuit intégré.
Installez les condensateurs en faisant bien attention au sens indiqué sur le dessin prévu à cet effet, puis faites de même avec les transistors.
Il faut ensuite que vous construisiez vous-même TF1 à l’aide d’un petit double “E” en ferrite, d’environ 20 x 16 x 5 mm, sur le noyau duquel vous enroulerez, toutes dans le même sens, les 15 spires de A-B, les 12 de B-C et les 65 de C-D.
En fait, il suffit de partir d’une extrémité et d’enrouler les 15 premières spires, puis de replier le fil et, après l’avoir torsadé, de le fixer ensuite avant de continuer avec l’enroulement des 12 spires suivantes en répétant l’opération et de terminer avec les 65 dernières.
Le fil doit être en cuivre étamé et avoir un diamètre de 0,2 mm (2/10).
Le début des enroulements (le point de départ des 15 premières spires) sera la borne “A”, tandis que la jonction entre la fin de A-B et le début des 12 spires suivantes sera la borne “B”.
La fin de B-C et le commencement des 65 dernières spires seront la borne “C”. La fin de l’enroulement donnera la borne “D”.
Pour l’alimentation, ainsi que pour la connexion du transducteur piézoélectrique, nous vous conseillons d’utiliser un bornier pour circuit imprimé au pas de 5 mm, ce qui simplifiera les raccordements.
A propos de transducteur, il faut, pour la sirène, un mid-tweeter (c’est-à-dire un haut-parleur pour notes médium-aiguës) piézoélectrique “à trompe”, capable de soutenir 120 Vpp (pas moins de 45Veff.).
Ses bornes doivent être reliées aux emplacements du circuit marqués “SIRENE”, sans tenir compte d’aucune polarité.
La source d’énergie de notre sirène peut être une simple pile de 12 volts ou une alimentation capable de fournir entre 12 et 15 volts en continu ainsi qu’un courant de 50 mA montée sur une batterie-tampon.
Une fois le montage terminé, essayez de le mettre sous tension et vérifiez que le transducteur émette le son.
A l’aide du trimmer, vous pouvez régler à souhait le champ de fréquence, en choisissant les notes qui vous semblent les mieux adaptées, les plus puissantes et les plus assourdissantes.
Pour la précision, sachez que si vous tournez le curseur dans le sens des aiguilles d’une montre, la fréquence de départ augmente et les notes deviennent plus aiguës, tandis que dans le sens inverse, la fréquence de base se réduit et le son devient plus grave.
Telle qu’elle vous est présentée, la sirène peut travailler avec un système qui lui fournisse une tension en cas d’alarme. Elle a donc besoin d’un contact normalement ouvert, placé en série dans la ligne du positif +12 V, qui se fermera lorsque l’avertisseur acoustique devra se déclencher.
Il est toutefois possible de rendre notre circuit complètement indépendant, en faisant démarrer l’avertissement acoustique après l’interruption de la ligne +12 V (voir figure 10).
Pour cela, il suffit de relier une pile de 12 volts (une de 500 mA/h suffit), en ajoutant les deux transistors et les résistances correspondantes, puis de détacher le point “B” du transformateur de la masse et de le relier au collecteur du BD139 sur le point également nommé “B”.
De cette manière, la sirène est éteinte lorsqu’elle reçoit les 12 volts (il vaut mieux lui en donner 13, de façon à bien charger la pile) et l’accumulateur BATT est maintenu en charge.
En interrompant le positif, le BC557 est alimenté et sature le BD139, dont le collecteur connecte la broche commune “B” de l’autotransformateur à la masse, permettant ainsi au transducteur piézoélectrique de fonctionner.

Figure 8: Une fois le montage du circuit imprimé terminé et après avoir vérifié qu’en alimentant celui-ci, le transducteur émette le son attendu, vous pouvez monter le tout à l’intérieur d’un coffret spécial ou, bien entendu, largement perforé pour laisser sortir le son. Le trimmer qui se trouve sur le circuit (R14, figure 1) permet de régler la gamme de fréquences de la sirène.

Figure 9 : Les dimensions, particulièrement réduites, du circuit électronique et du transducteur permettent d’installer l’ensemble dans un boîtier de faibles dimensions (longueur 13, largeur 10, profondeur 4 cm).

Figure 10: La sirène et la fonction auto-alimentation.

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