Haut-parleur - Définition
Généralités
Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. On emploie parfois aussi ce terme pour désigner l'appareil destiné à l'émission sonore dont il est un des constituants principaux (dans ce cas, se reporter à l'article "enceinte acoustique").
Principe et historique
Pour produire des sons, il faut faire vibrer de l'air. Un haut-parleur est généralement constitué d'une membrane mobile en carton ou en matière synthétique, d'une bobine mobile attachée à cette membrane, d'un aimant disposé entre les pôles desquels elle vibre, et enfin d'un cadre destiné à soutenir le tout. Quand on fait passer du courant dans un fil qui est placé dans un champ magnétique, ce fil est soumis à des forces dites de Laplace, lesquelles peuvent mettre le fil en mouvement. Le haut-parleur transforme d'abord le courant qu'on lui assigne en mouvement de la bobine de fil. Or, celle-ci met en mouvement la membrane du haut-parleur, qui elle-même met l'air en mouvement. Le son perçu par un homme ou un animal étant par nature une vibration de l'air, le haut-parleur " transforme le courant en son. "
Il existe plusieurs types de haut-parleurs : d'une part les types électrodynamique, isodynamique, électrostatique, piézoélectrique, et le haut-parleur à plasma. Le haut-parleur électrodynamique – qui couvre environ 99% du marché – a aujourd'hui encore un fonctionnement relativement simple pour une technologie de masse.
Le haut-parleur est une invention déjà centenaire. Le 10 décembre 1877, le premier brevet concernant un haut-parleur à bobine mobile fut accordé à C.H Siemens. De nos jours, le haut-parleur correspond à une gamme très variée de technologies : on trouve des haut-parleurs aussi bien dans des cartes de vœux que sur des amplificateurs de puissance pour concert.
Haut-parleur de type électrodynamique
Principe de fonctionnement
Il fonctionne suivant le principe suivant :
- Un moteur transforme l'énergie électrique en énergie mécanique ;
- ce moteur transmet cette énergie mécanique à la membrane ;
- la membrane transmet l'énergie mécanique à l'air ambiant – d'où le son.
Le moteur est constitué comme suit :
- un ensemble générant un champ magnétique B permanent (invariable dans le temps) dans un espace donné appelé entrefer. Cet espace est déterminé par la géométrie mécanique du moteur (voir plus loin). La source d'énergie magnétique est généralement un aimant permanent de type torique, de faible épaisseur relative par rapport a sa surface, polarisé dans le sens axial. Le champ est concentré dans la culasse (plaque collée sur la face arrière de l'aimant), puis réorienté par le noyau central cylindrique vers la face opposé de l'aimant. Le champ en face avant est orienté dans la plaque de champ. L'espace entre la plaque de champ et le noyau est nommé entrefer.
- une bobine de fil (de cuivre ou aluminium, parfois argent) sur un support cylindrique (en papier, aluminium, Kapton, fibre de verre ou un composite de ces matériaux) est plongée dans cet entrefer dans le sens axial.
- Lorsqu'un courant parcourt cette bobine, du fait de la tension que l'on fixe a ses bornes, une force (F) tend a faire sortir la bobine du champ B de l'entrefer dans le sens axial. cette force est définie par la formule F=B*L*i*Sin alpha (loi de Laplace), B étant le champ dans l'entrefer, L la longueur de fil de la bobine introduite dans l'entrefer, i le courant parcourant la bobine, et l'angle alpha qui est égal à l'angle entre le vecteur B et le vecteur I : donc dans le cas du haut parleur, Sin alpha sera toujours égal a 1. La force F est proportionnelle à i, si B est constant (ce qui est le cas si l'ensemble magnétique est bien conçu) et si L est constant quel que soit le déplacement de la bobine : il faut donc veiller à ce que la bobine soit montée symétriquement par rapport au champ, de manière à ce que la longueur de fil qui sort de l'entrefer soit compensée par celle qui rentre dans l'entrefer.
Refroidissement du haut-parleur
La double convertion énergétique, électrique-mécanique puis mécanique - acoustique n'est pas parfaite. Un transductif électromagnétique peut avoir plus de 99 % de perte. La chaleur est une des conséquences de ce mauvais rendement; de cette mauvaise efficacité énergétique. La conversion électrique mécanique se fait avec une perte de rendement par effet Joule.
Lutter contre cette chaleur permet :
- de ne pas atteindre le point de curie de son moteur magnétique
- de ne pas entraîner de dégâts physiques sur les fils composants la bobine.
- de maintenir les caractéristiques du flux magnétique constant.
Ces trois paramètres sont les facteurs les plus importants pour maintenir une distorsion la plus basse possible lors du déplacement de la bobine. La distorsion apparaît lorsque les mouvements de la bobine ne sont plus une fonction linéaire du courant. Les solutions des constructeurs sont toutes basées sur une des deux approches suivantes :
- La réduction de la consommation.
- la dissipation thermique.
La réduction de la consommation — La réduction de la consommation électrique se fait en augmentant le champs magnétique ou en augmentant la longueur du fil électrique qui se trouve dans ce champs, ce qui permet de réduire l'intensité électrique tout en ayant un niveau sonore équivalent.
En réduisant la masse de la membrane ou en assouplissant la suspension, on reduit la charge et donc la consommation aussi.
La dissipation thermique — La chaleur est fabriquée par la bobine mobile selon la formule R*I*I. avec :
R: la résistance en courant continue de la bobine
I: l’intensité en ampère du courant traversant la bobine.
Cette chaleur est bloquée par la membrane et le spider pour la partie avant. À l’arrière son évacuation est freinée par la plaques de champs et le noyau central ou une culasse. Pour l’évacuer, il existe plusieurs solutions qui sont souvent utilisées conjointement..
Une membrane radiateur. La bobine mobile fixée à la membrane peut transmettre la chaleur à cette dernière si la résistance thermique entre ces dernières est faible. Ce système est utilisé sur les AE1 de la société Acoustic Energy. La membrane métallique agit comme un radiateur. Une AE1 admet 200 Watts efficaces pour un 90 mm. Les radiateurs additionnels. En ajoutant des radiateurs sur le pourtour de la culasse du haut-parleur, on évacue la chaleur captée par les plaques de champs et le noyau central. Chez Boston Acoustique, cette solution est surtout utilisée sur les tweeters.
En introduisant une tige métallique dans le noyau central reliée à un radiateur, la chaleur est conduite par cette passerelle thermique vers l’extérieur de l’enceinte. De plus elle permet de rigidifier le coffret en se comportant comme un tasseau .
Des puits d’aération. En perçant le noyau centrale ou la culasse on crée un passage d’air. La chaleur transmise au noyau central par la bobine est évacuée par ce puit. C’est le Vented Gap Cooling de JBL, vue en coupe. Ce système offre un refroidissement limitée à la partie de la bobine proche de la partie avant. JBL a inventée une solution qui ventile la bobine par trois petits puits dans la périphérie du noyau centrale. L’air atteint directement le cœur de la bobine, c’est le Super Vented Gap vue en coupe de JBL. La compression dynamique est maintenu à quelques dB. Un haut-parleur ayant une bobine de faible diamétre comme les EV subira une compression de l'ordre de 7 dB. évolution de la compression dynamique en fonction du temps pour une puissance donnée JBL TAD EV.
Une solution plus simple est de percer de part en part la plaque arrière et le noyau central ou la culasse. Le trou débouche sur la plaque de champs arrière. Plusieurs solutions d’évacuations sont possibles. Cf. Forum audiorountable
Le watercooling. En insérant un ferrofluide dans l’entrefer, on diminue la résistance thermique par rapport à l’air et on transmet mieux la chaleur aux plaques de champs avant et au noyau central qui l’évacuent ensuite. C’est une solution mise en place chez Dynaudio et sur de nombreux tweeters comme chez Audax. Les particules font environ 10 nm et sont à base de Fe3O4. Cette matière est ausi un frein aux déplacement de la bobine diminuant aussi le rendement global du moteur. La puissance admissible par contre fait un bond et la courbe d’impédance pour les tweeter est très amortie offrant par conséquent un filtrage à pente plus faible possible. Cette solution s’est généralisée chez de nombreux fabricants. exemple de ferro fluides
La ventilation latérale. En disposant des aimants circulaires non jointifs autour de la bobine, on facilite le passage de l’air vers l’extérieur, diminuant ainsi la température. Focal adopte le multi-aimants sur ces systèmes haut de gammes.
En installant un espace entre le saladier et le spider, pour assurer une circulation d'air, la bobine est refroidie sur sa partie avant comme sur la gamme stratos de Triangle
Les haut-parleurs électrostatiques
La membrane plane qui reproduira toutes les fréquences est recouverte d'un coating conducteur et est chargée de plusieurs milliers de volts DC par rapport à la masse (environ 5000 volts). De chaque côté de cette membrane courent des conducteurs (fils) qui, sous l'effet d'un signal audio dont le voltage est augmenté par un transformateur attireront ou repousseront statiquement la membrane, ce qui produit le son. Comme la membrane reproduit toute la gamme de fréquence, il n'y a pas de distortion dite de crossover.