Brevet FR2269267A1 — publié le 19751121

La présente invention concerne les haut-parleurs ou transducteurs électro mecaniques et a pour objet un dispositif d'asservissement pour haut-parleurs. depuis toujours, les constructeurs d'enceintes acoustiques s efforcent de fabriquer des enceintes très petites reproduisant avec le plus de fidélité possible le signal qui leur est appliqué. Leur but est d'obtenir dans toute la gamme des fréquences audibles une réponse indépendante de la fréquence et une distorsion très faible. Oe but fût atteint avec de petites enceintes (30 litres environ), mais dans une gamme de fréquence allant de. 60 Hz à 20 Hz Jusqu'ici il a éte impossible de reproduire fidè- lement des sons graves, c'rst-a-Gire en dessous de 60 Hz Tgute- fois avec des enceintes de 200 à 300 litres accordées, un hautparleur de très gros diamètre et dont la fréquence de résonance est très faible, il a été possible de reproduire des sons graves, au-dessus de la fréquence de résonance. L'asservissement d'un haut-arleur est un moyen d'obtenir une réponse en fréquence droite et une faible distorsion dans la zone d'asservissement. Mais il permet surtout de réduire considérablement le volume de l'enceinte. En effet, l'encombrement des grosses enceintes et leur manque d'sthétique sont des obstacles à leur utilisation aussi bien chez les professionnels que chez les amateurs de haute fidélité. L'asservissement permet un contrôle et une correction permanente de mouvement de la membrane - on appelle membrane la partie mobile du haut-parleur qui rayonne les vibrations acoustiques - de manière à stabiliser sa fonction de transfert. Cette fonction de transfert présente usuellement une résonance mécanique principale importante, qui dépend du volume de la boîte, de la souplesse du haut-parleur, de son diamètre et de la masse de sa membrane. Cette résonance se traduit par une coloration et un trainage sonore. Cet effet devient spécialement genant lorsque la fréquence de résonance du haut arleur est relativement élevée, ,ar exemple 100 Hz, ce qui a souvent lieu lors de l'utilisation d'enceintes acoustiques de dimensions modérées. On connait déjà certains dispositifs d'asservissements qui améliorent le fonctionnement des haut-parleurs. Le brevet français 1.399.486, décrit un accélêromètre qui est placé sur la membrane et le signal de cet accéléromètre est utilisé dans une ligne de contre-réaction. Ce dispositif présente l'inconve- nient d'introduire dans l'asservissement les caractéristiques propres de l'accéléromètre. Ce défaut peut être limité par l'emploi d'un très bon accéléromètre, mais celui-ci est d'un prix très élevé, hors de proportion avec le but recherché. Le brevet belge 720.115 décrit un haut-parleur monté sur une branche d'un pont d'impédance, et le signal recueilli entre deux bornes du pont est appliqué sous forme de rétroaction négative à l'amplificateur, a travers un filtre et un élément actif tel qu'un transistor. L'inconvénient de ce dispositif est que le signal de réaction n'est pas proportionnel au signal de sortie, c'est-a-dire a l'énergie acoustique rayonnée, et que l'asservissement n'est pas satisfaisant en dehors de la fréquence de résonance du haut-parleur. La présente invention a pour but de remédier a de tels inconvenients. Elle se propose de fournir un dispositif d'asservissement qui soit efficace dans toute la bande de fréquence utile. On sait que la puissance acoustique rayonnée par un haut-parleur s'exprime par la formule W = V2 x Ra ot V est la vitesse (moyenne quadratique) de la membrane, et Ra, la résistance de rayonnement du haut-parleur, qui, dans la zone des fréquences graves est proportionnelle au carré de la fréquence. Ra = k f2 d'oa W = k v2 f2 On a déjA cherché, notamment dans les brevets cités plus haut, à obtenir une réponse acoustique qui ne dépende pas de la fréquence. Il faut donc que la puissance acoustique rayonnée soit constante quelque soit la fréquence. Ceci sera réalisé si la vitesse V (en moyenne quadratique) varie en fonction inverse de la fréquence. La vitesse devra donc être exprimée sous la forme suivante V = k' x U sin Wt oe En dérivant par rapport au temps on obtient l'accélération Y et le terme 1 disparaît. L'accélération (moyenne quadratique) doit etre constante. C'est un but de la présente invention de fournir un dispositif d'asservissement a accélération constante, c'est-adire à pression constante. La proportionnalité Ra = kf2limite toutefois l'emploi de l'asservissement a environ 1000 Hz, sone de fréquence au-del de laquelle il n'y a plus de proportionnalité rigoureuse entre la résistance et le carré de la fréquence; pour un haut-parleur de grand diametre, en effet cette fréquence de coupure dépend du diamètre du haut-parleur. Il est possible en théorie d'asservir au-delà de 1000 Hz, mais a condition d'introduire dans le circuit d'asservissement un réseau correcteur qui tienne compte de la non proportionnalité entre Ra et le carré de la fréquence. L'asservissement peut aussi être limité pour des raisons d'ordre technologique et qui dépendent de la qualité des haut-parleurs employés. Ea effet, pour être sur que l'asservissement fonctionne correctement, il faut que la membrane se déplace en piston, ceci afin d'éliminer les distorsions dues à la membrane. Conformément à la présente invention, pour capter l'accélération du haut-parleur, on utilise d'abord un dispositif donnant un signal proportionnel a la vitesse. I1 suffira de dériver ce signal pour obtenir la représentation électrique de l'accélération. L'accélération est introduite en opposition, avec le signal d'entrée dans un comparateur, et le signal d' er- reur sortant est délivre a 1'amplificateur. Selon l'invention, c'est la bobine mobile du hautparleur qui donne la vitesse de la membrane par 1'intermediaire de sa force contre électromotrice. Il en résulte entre autres avantages que le fonctionnement du haut-parleur n'est perturbé par aucun dispositif de correction, de mesure eu autre. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail, à l'aide de la description ci-après donnée a titre non limitatif, en regard des dessins ci-joints, sur lesquels - la figure 1 représente le schéma du montage selon l'invention, d'un haut-parleur avec un dispositif d'asservissement - la figure 2 représente le détail dru circuit v de la figure l ; - les figures 3 et 4 représentent la courbe de réponse et le taux de distorsion d'un haut-parleur non équipé du dispositif ; ; et - les figures 5 et 6 representent la courbe de répon- se et le taux de distorsion du même haut-parleur monte avec un dispositif selon l'invention. En se référant maintenant à la figure 1, le signal d'entrée est délivré à une entrée d'un comparateur c, tandis que le signal de contre réaction est délivré à l'autre entrée de ce comparateur, les gains des deux entrées étant les mêmes, dans l'exemple décrit. Le quadripôle F est un filtre passe-bande qui agit peu sur la fonction de transfert, mais permet de stabiliser le système, d'éviter son entre en oscillation en agissant sur la phase et sur la bande de fréquence restituée. Il permet aussi de fixer une limite inférieure à la zone d'asservissement, pour éviter de reproduire des fréquences inaudibles, ou des parasites comme le rumble de la platine. D'autre part, du fait du déphasage, le circuit d'asservissement entre en oscillation pour deux fréquences. Dans les réalisations habituelles, une de ces frequences se situe autour de 1200 Hz, ce qui n'est pas gênant pour l'asservissement, l'autre fréquence se situe vers 4 hz. Le bloc A est un amplificateur de gain A dont la sortie est branchée sur une des bornes du haut-parleur HP, dont l'autre borne est reliée au circuit vitesse v. D'autre part, une vi autre entrée,du circuit/vvisttSi81iée au point I, entre l'ampli- ficateur A et le haut-parleur. Le circuit vitesse est en outre relié à la terre en T. Il délivre une information de vitesse au circuit y, de dérivation, qui est dans cette réalisation un simple circuit R-C fournissant le signal image de l'acélération. Le quadripôle G est un filtre qui permet d'agir coziodément sur la fonction de transfert de l'ensemble, afin de pouvoir adapter l'ensemble à n'importe quelle enceinte classique restituant le haut du spectre audible. En effet, il est possible de limiter la courbe due réponse'de l'enceinte asservie et de confier le haut du spectre à tme enceinte classique (deux ou trois voies) bien qu'il soit possible de faire une enceinte multivoies dpnt chaque haut-parleur serait du type asservi. La force électromotrice de la bobine mobile est proportionnelle h sa vitesse et conformément à l'invention, on mesure la vitesse de la membrane, qui est celle de la bobine en mesurant la force contreélectromotrice de la bobine.Pour mesurer cette force contreélectromotrice, on compare l'impédance du haut-parleur chargé acoustiquement a son impédance électrique a vitesse nulle (c'està-dire quand le haut parleur est hloqué). Le circuit vitesse est représenté sur la figure 2. Dans la pratique il est placé le plus près possible du haut-parleur. Il comporte un comparateur 10, avec deux entrées 11 et 12 et une sortie 14. L'entrée il est reliée au point I, entre l'amplificateur A et le haut-parleur, l'entrez 12 est connectée à l'autre borne du haut-parleur. La sortie 14 est connectée au circuit de dérivation y. En un point J, sur la ligne reliant le haut-parleur à l'entrée 12, est connecté un circuit 13 de simulation du hautparleur, dont l'autre c8té est mis à la terre en T.Le circuit 13 est un circuit passif RLC adapté au haut-parleur choisit Confor mément à Itinvention, le comparateur 10 compare la tension V au point I , à la tension v au point J. La tension v étant la tension aux bornes du circuit de simulation, équivalent au haut-parleur bloqué, le signal d'erreur du comparateur donnera la force contreélectromotrice due aux déplacements de la bobine du haut-parleur, c'est-â-dire proportionnel à la vitesse du haut-parleur. Il est nécessaire de prendre pour le circuit de simulation un facteur de réduction assez important, de l'ordre de 100 a 1000 par exemple.En effet, il ne faut pas consommer de puissance sur l'amplificateur, et donc éviter de perturber le fonctionnement du haut-parleur ; de plus l'approximation n'est vraie que si le facteur de réduction est très supérieur à 1. Si on appelle Z l'impédance du haut-parleur bloqué, et K le facteur de réduction, le circuit de simulation aura une impédance Z/K et l'entrée 12 du comparateur aura un gain K tandis que l'entrée 11 aura un gain unité. Si on désigne par V la tension I et v la tension J, par rapport a T, la proportionnalité des tensions aux impédances permet d'écrire Z/K v = (V-e) Z + Z/K comme K est très supérieur à 1, ceci est équivalent à V- e V K soit : e = Kv - V Le circuit comparateur tel que défini ci-dessus permet d'obtenir le signal e. Ce dispositif utilise donc au total deux comparateurs, Un premier comparateur fournit le signal vitesse å la sortie du circuit de lecture, et un deuxième comparateur sert a l'asservissement proprement dit en comparant le signal original au signal d'erreur délivrée a la sortie du circuit dérivateur (ou plutôt à la sortie du filtre G). Dans tous les systèmes bouclés, des oscillations se produisent quand l'amplification en boucle, pour le système amplificateur, haut-parleur, circuit à contre réaction est égale à 1 et a subi un déphasage de 360 . Pour éliminer ce phénomène, les filtres sont calculés pour que le gain de boucle soit inférieur à 1 quand la phase est égale à 1800. Un essai a été fait sur un haut-parleur ISOPHON. Les figures 3 et 4 donnent respectivement la courbe de réponse en dB et le taux de distorsion en % de ce haut-parleur mesuré à pression constante. On voit que c'est un très bon transducteur supportant des puissances supérieures à celles annoncées avec une distorsion remarquablement faible. La mesure de l'impédance membrane bloquée a pu être réalisée par coulée de résine sur la bobine pour mettre au point le circuit de simulation. L'enceinte dans laquelle a été placee l'ISOPHON est volontairement petite par rapport aux dimensions du haut-parleur. Il s'agit d'une boite de dimensions 30 x 36 x 29 cm. En effet, le grand intérêt de l'asservissement rédide dans le fait qu'on puisse obtenir de bons résultats dans un volume ordinairement beaucoup trop petit par rapport aux dimensions du haut-parleur. Le volume de laine de verre dans le caisson est tel que la fréquence de résonance du haut-parleur soit minimum (environ 50 Hz > . Les figures 5 et 6 donnent respectivement la courbe de réponse et le taux de distorsion de ce haut-parleur, muni du dispositif d'asservissement selon l'invention, avec les memes systèmes de coordonnées. L'asservissement a permis d'obtenir avec ltISOPHON, dans un volume d'environ 30 litres une réponse en fréquence droite à 1/2 décibel près de 20 Hz a 1000 Hz pour un niveau sonore de 95 db, micro placé à 50 cm. La courbe de réponse est droite bien au-delA de la zone de fonctionnement en piston de la membrane. D'autre part, le taux de distorsion à partir de 50 Hz n'est plus mesurable et il est a peu près du même ordre de grandeur que celui des appareils de mesure. REVENDI IONS 1.- Dispositif transducteur électromécanique comprenant un aSplificateurt un haut-parleur et des moyens pour engendrer une tension proportionnelle à I'accélaration de la membrane du haut-parleur, et pour délivrer cette tension comme tension de couplage a contre-réaction à l'entrée de l'amplificateur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour délivrer un signal proportionnel à la vitesse de la membrane, et des moyens pour obtenir un signal proportionnel à l'accélération à partir du précédent. 2.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens sensibles a la force électromotrice de la bobine du haut-parleur pour délivrer un signal proportionnel a celle-ci. 3.- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique dont l'impédance est égale a un facteur de réduction près, à l'impédance électrique du haut-parleur à vitesse nulle, c'est-à-dire du haut-parleur bloqué, et des moyens de comparaison, pour comparer la tension de ce circuit à la tension du haut-parleur, ces moyens de comparaison tenant compte du facteur de réduction.