Brevet FR2372568A1 — publié le 19780623

L'invention a pour objet un transducteur électro-acoustique comportant une enceinte, au moins un haut-parleur et un montage électrique d'alimentation de ce dernier. On va d'abord définir le haut-parleur du transducteur selon l'invention C'est un haut-parleur électro-dynamique à large bande, permettant de reproduire les spectres de fréquences graves et médium, avec la même quai té et la meme finesse que l'ensemble d'un "boomer" et d'un haut-parleur "médium" à dôme d'excellentes qualités. Le transducteur, selon l'invention, en utilisant une enceinte "deux voies", permet d'obtenir les mêmes performances qu'une enceinte "trois voies" et, ceci, à un prix naturellement bien inférieur. Le haut-parleur, selon l'invention, est caractérisé par le fait que sa membrane est construite ou traitée de façon que sa rigidité, en un point quelconque de sa surface, varie selon la distance r dudit point au centre de l'équipage mobile selon une fonction telle que /0 = A (r)n A étant un coefficient constant et n un nombre entier ou fractionnaire fonction du diamètre du haut-parleur et p étant une grandeur liée à la rigidité R de la façon suivante Soit une plaque de matière homogène et d'épaisseur constante e.Si R est la rigidité de cette plaque, on peut déterminer une relation R = f(e), ou la relation inverse e = g(R) ; en faisant intervenir un coefficient constant k, on définit p par f k.e = k.g(R). Pour réaliser la loi ci-dessus, l'invention prévoit trois possibilités 1" Donner à la membrane une épaisseur constante et une densité g variable, selon la loi g = A r n 2" Donner à la membrane une densité constante et une épaisseur h variable selon la loi h = A 2 r n 3 Traiter la membrane par application de vernis pour obtenir la loi de rigidité désirée. Cette dernière possibilité est la plus simple à mettre en pratique et sera réalisée en appliquant sur la membrane des couches de vernis selon des couronnes concentriques, le nombre desdites couches différant selon l'éloignement de ladite couronne au centre de l'équipage mobile. Bien entendu, il ne saurait être question de suivre exactement la loi mathématique ci-dessus, puisque ceci exigerait un nombre infini de couches d'épaisseur nulle ; on doit naturellement se contenter de "découper" la membrane en un nombre fini de couronnes de rigidité constante. En pratique, l'expérience a montré qu'un "découpage" relativement grossier par exemple quatre couronnes de vernis pour un haut-parleur de 25 centimètres de diamètre - donne des résultats satisfaisants. Des hout-parleurs établis conformément à l'invention permettent de réaliser des enceintes "deux voies" dont les performances sont supérieures à celles d'enceintes "trois voies, En pratique, le haut-parleur comporte, de manière connue, un dôme hémisphérique de rayon rl collé au centre de la membrane de rayon r2 et les couronnes traitées au vernis s'échelonnent entre rl et r2. Le rayon rl dépend en fait du rayon r2. En effet, la largeur de la bande des fréquences reproduites sera d'autant plus limitée vers les fréquences élevées que le rayon r2 sera grand. En conséquence, le diamètre du dôme hémisphérique pourra être plus important. Toutefois, les dimensions de ce dôme devront être choisies identiques à celles de la membrane idéale d'un haut-parleur à dôme spécialisé dans la reproduction des fréquences médium de même largeur de bande que celle que l'on désire reproduire.Grâce au traitement selon l'invention, tout se passe en effet, comme si le "cache-noyau" en forme de dôme se comportait comme une membrane indépendante de haut-parleur médium à dôme, la membrane proprement dite qui suit la loi de densité ci-dessus se comportant comme un support rigide malgré les mouvements qu'elle subit aux fréquences basses. En pratique, lorsque le haut-parleur de-base est choisi, on recherche quel est le cache-noyau hémisphérique qui lui permet d'avoir une courbe de réponse régulière et étendue vers les fréquences hautes. Ensuite, la loi de densité donnée par la présente invention sera appliquée en choisissant les coefficients A et n de telle sorte que le fonctionnement du dôme hémisphérique devienne efficace à partir de la fréquence frontière au-delà de laquelle la membrane principale cesse de fonctionner en pistou Dès lors, le traitement utilisé provoque une chute brutale du rayonnement de la membrane principale pour les fréquences supérieures à sa zone de fonctionnement en piston, le dôme central devenant alors responsable du rayonnement médium pratiquement à lui tout seul comme le ferait un excellent haut-parleur spécialisé.Tout se pas-se donc comme s'il y avait deux haut-parleurs distincts associés par un filtre idéal et, ceci, sans distortion de phase. Si l'on utilise un haut-parleur classique dont la membrane a une épaisseur et une densité constantes, il est bien évident que c'est le traitement au vernis qui doit être utilise. Le vernis devra être un vernis devenant dur après séchage donc un vernis polyester plutôt qu'un vernis polyuréthane. La détermination des coefficients A et n peut se faire de façon empirique. Toutefois, l'optimisation d'une telle recherche nécessite l'emploi de nombreux haut-parleurs puisqu'il a deux paramètres à faire varier. Pour le type de transducteur utilisé dans l'étude ayant concrétisé la présente invention, pas moins de 50 hcut-parleurs ont été utilisés pour déterminer les valeurs optimales des paramètres A et n. A partir d'un modèle de série, les valeurs optimales trouvées pour les paramètres sont : A = 0,02 et n = 0,68. Pour aboutir à cette détermination, il a été tenu compte de la densité du vernis ainsi que de sa fluidité déterminant l'épaisseur des différentes couches. On a pris a priori k = 1 de telle sorte que le para mètre "p " s'identifiait à l'épaisseur "e" qu'aurait eue une membrane n suivant la loi e = A 2 rn. Pour une densité de matière 8 = 480 Kg/m3, qui est la densité du carton d'origine, la limitation de l'épaisseur maximale de la membrane, supposée suivre la loi à densité constante, conduit à une relation limite entre A et n qui permet de diminuer considérablement l'éventail des possibilités. Le balayage des paramètres s'effectue alors en déterminant la meilleure' configuration pour le fonctionnement en piston de la membrane principale. Ceci a été rendu possible grâce à un microphone de proximité très directif permettant de sélectionner avec cer titude les rayonnements de la-membrane et du dôme et gracie à un dispositif de mesure de la vitesse de l'équipage Ce dispositif utilise le principe du "pont de Voight" plaçant en série avec le haut-parleur, un haut parleur identique mais dont la bobine mobile a été bloquée avec une colle telle que 1' "Araldite". Les relevés des courbes de vitesse permettent de mettre en évidence la fréquence à partir de laquelle le fonctionnement en piston n'est plus réalisé.En effet, ltétablissement d'ondes stationnaires pour les fréquences supérieures à la plage de fonctionnement en piston entraîne une irrégularité caractéristique dans la courbe "vitesse fréquence. L'optimisation est réalisée lorsque la fin du fonctionnement en piston coïncide avec le début d'une chute rapide de la courbe de réponse de la membrane seule. Cette chute rapide de la réponse traduit une immobilisation de la membrane à ces fréquences de telle sorte qu'elle se comporte alors comme un support rigide pour le dôme hémisphérique qui fonctionne donc comme un ha-ut-parleur indépendant. Le premier résultat de la présente invention est de créer une indépendance entre la partie du haut-parleur mise en oeuvre pour la reproduction des fréquences graves et la partie centrale qui. reproduit le spectre médium. Si, a priori un tel résultat est très intéressant pour donner à un seul haut-parleur les mêmes avantages que ceux de deux haut-parleurs séparés avec en moins, certains inconvénients (filtre, erreur de.phase, sources non coaxiales) il semble par contre, plus délicat de réaliser liamortissement critique sur la totalité du spectre- rèproduit et d'équilibrer le rendement acoustique entre les deux plages de fréquences basses et médium. En conséquence, le transducteur selon la présente invention, comporte comme il a été dit plus haut, un circuit électrique très simple qui est connecté en série avec le haut-parleur et résolvant à la fois le problème de l'amortissement et celui du rendement. En ce qui concerne l'amortissement, il est inversement proportionnel à la racine carrée du produit de la raideur de la membrane par la masse de l'équipage mobile. I1 suffirait donc que ce produit reste constant pour que l'amortissement critique soit réalisé sur toute la bande à reproduire. En-réalité, des mesures montrent que si les conditions d'interdépendance sont correctement réalisées, l'amortissement du dôme hémisphérique dans le spectre médium est plus important que celui de la membrane principale lors qu'elle fonctionne en piston, ce qui revient à dire que la souplesse de suspension augmente dans de moindres proportions que ne diminue la masse de l'équipage mobile lorsqu'on passe du régime de fonctionnement en piston au régime de fonctionnement en médium à dôme, ceci en admettant que l'action de ces paramètres est prépondérante devant celle des frottements visqueux (ce qui est exact puisque la mesure est faite avec un amortissement électrique très supérieur à celui des frottements en question). Le haut-parleur de base ayant été choisi pour qu la résistance de sa bobine mobile lui confère un amortissement critique avec un amplificateur de résistance interne négligeable, il suffira pour conserver cet amortissement c-ritique dans le registre médium de placer en série avec le haut-parleur une impédance dont la valeur sera nulle ou négligeable dans le registre grave et prendra dans le registre médium la valeur nécessaire au maintien de cet amortissement critique. Bien entendu, l'effet de pont diviseur ainsi réalisé sur le spectre médium va avoir tendance à faire tomber la courbe de réponse dans cette bande de fréquences. En fait, cet effet est tout à fait bénéfique car il va compenser, comme il sera montré plus loin, une augmentation de rendement inhérente au traitement du haut-parleur. En ce qui concerne le rendement, il est proportionnel au carré du rayon de la partie active de la membrane et inversement proportionnel à la masse de l'équipage mobile en activité. 2 N=k r m or, m = m0 + +V rmO = masse de la bobine et du cache-noyau avec = densité de la membrane à épaisseur variable V V = volume de la partie utile de la membrane Comme la loi h = À (r) donne le volume utile à partir de dV = 2Tt h. r. dr dN En formant alors l'expression de , on trouve qu'elle s'annule dr pour r = O et pour Si l'on prend comme exemple + = 480 Kg/m3 ss = 0,02 n = 0,68 et m0 = 2,5.10 3 Kg (valeur mesurée sur le haut-parleur utilisé), la valeur numérique de r qui annule la dérivée du rendement est r = 5,4.1O m soit r - 5 cm il est curieux de constater que ce rayon correspond précisément au rayon du cercle de mouvement nul visualisé sur la membrane du haut-parleur avec de la poudre de talc pour les fréquences supérieures à la zone de fonctionnement en piston, c'est-à-dire le cercle de la membrane qui joue le rôle de support au dôme hmisph r que lorsque celui-ci reproduit les fréquences médium L'expression de la dérivée du rendement montre que cette dérivée est du meme signe que ce qui prouve que le rendement diminue pour les fréquences supérieures à r0 (dérivée négative). Le fonctionnement en dôme hémisphérique aura donc un rendement plus élevé que celui relatif au fonctionnement en piston, comme le confirme l'expérience Cette augmentation de rendement joue dans un sens favorable pour l'indépendance du fonctionnement de la partie centrale par rapport à la totalité de la membrane en augmentant la différence des niveaux acoustiques reproduits aux fréquences médium par le dôme hémisphérique et par la membrane principale qui subit déjà, à ces fréquences, une importante chute dans sa courbe de réponse Bien entendu, une linéarisation des rendements est souhaitable (sauf pour des enceintes acoustiques à usage particulier, pour compenser la courbe de réponse de l'oreille de certains mal-entendants par exemple) et le réseau déjà signalé plus haut, pour réaliser l'amortissement critique est tout à fait utilisable dans ce sens Dans la réalisation pratique ayant servi d'étude concrete à la présente invention, le réseau électrique placé en série avec le haut-parleur a la configuration représentée par la figure 1, avec L = 0,8 mH. C = 5 pu. R = 7,5 Ohms Si le circuit décrit plus haut-est tout à fait remarquable pour donner au dôme hémisphérique un fonctionnement pratiquement indépendant du reste de la membrane, c'est qu'il minimise les distorsions d'intermodulation que les non-linéarités plus ou moins importantes de la membrane principale sont susceptibles d'introduire dans le registre médium. Malgré l'amélioration considérable apportée par ce circuit, certaines distorsions pourraient toutefois subsister si l'on partait d'un haut-parleur de qualité médiocre De plus, il est bien connu que ce sont les fréquences les plus basses qui sont les plus difficiles à reproduire correctement et, dans ce domaine la conception de l'enceinte acoustique est au moins aussi importante que la qualité du haut-parleur. C'est pourquoi, le transducteur, selon la présente invention, comporte, comme il a été dit plus haut, une enceinte acoustique particulièrement efficace pour favoriser la reproduction de l'extrême grave à très faible taux de distortion et à très bonne réponse transitoire, et, ceci, même avec des enceintes de taille relativement modeste. L'utilisation d'une telle enceinte avec le haut-parleur précédemment décrit se justifie par le fait que les quelques distorsions d'intermodulation qui pourraient subsister entre extreme grave et médium avec une botte de dimensions petites ou moyennes deviennent, grace à cela, totalement inaudibles.Ainsi conçu, un transducteur à deux voies réunissant toutes les dispositions selon l'invention, montre, par le test très complet du sonogramme, des qualités supérieures à celLes d'une enceinte "trois voies", pourtant réputées comme étant une des meilleures du moment il est connu que les systèmes à résonateur de Helmotz (type "Bass Reflex") sont efficaces pour diminuer les distorsions dans l'extrême grave (ce qui s'explique essentiellement par le fait que l'équipage mobile du haut-parleur subit alors des mouvements dUamplitude bien moins grande que dans le cas d'une enceinte close par exemple). Toutefois, même si elle est jugée "grande" par la maîtresse de mai son, une enceinte acoustique de dimensions compatibles avec la plupart des intérieurs est en genéral proche de la limite inférieure en dessous de laquelle le système "Bass-Reflex" fonctionne mal et ne présente pratiquement plus d'avantages sur l'enceinte close. La modification-de la forme du tuyau d'accord a toutefois permis la création d'un certain nombre d'enceintes permettant d'étendre les qualités du résonateur de Helmotz à des enceintes de taille plus modeste. Dans deux dispositifs connus, le haut-parleur est supporté par une planche distincte de la face avant dont elle est séparée par une faible épaisseur d'air. C'est le volume de cet air qui remplace celui de l'évent du Bass-Reflex par rapport auquel il apporte 1" Un amortissement visqueux déterminé par la distance entre la planche porte-haut-parleur et la face avant. 2" Un rayonnement d'évent se faisant dans le plan de la fuce avant de façon omnidirectionnelle. Dans l'un des cas, la planche porte-haut-parleur est intérieure et, dans l'autre cas, elle est extérieure. Dans l'enceinte, selon l'invention, le principe de l'amortissement visqueux est conservé, mais le rayonnement de l'évent, toujours parallèle à une face de l'enceinte, ne se fait plus de façon omnidirectionnelle. Une seule direction de rayonnement d'évent est utilisée ; soit à simple sens (évent simple), soit à double sens (évent double). De plus, cette direction est-parallèle à la plus grande dimension de l'enceinte. Les mesures ont montré, par rapport aux systèmes connus précités, une meilleure maîtrise des modes parasites à amortissement égal du volume intérieur de l'enceinte ; donc, à maîtrise égale des modes parasites, par des matelassages internes différents, une meilleure réponse dans l'extre- me grave. L'enceinte, selon l'invention, présente, en outre, l'avantage d'une construction facile et rigidifiante pour la bote. La figure 2 ci-annexée montre une possibilité d'assemblage dans le cas de l'évent simple. Le haut-parleur peut être indifféremment fixé, après perçage du trou adéquat, sur la face en retrait (A), sur la face avancée (B), ou même sur une autre face. En compliquant légèrement la construction, il est possible d'obtenir une enceinte à double évent, soit avec une face avancée et deux faces en retrait, soit, au contraire, avec deux faces avancées et une face en retrait. Dans ce dernier cas, la simplicité peut être plus grande car les décrochements des faces latérales peuvent être évités. Les mesures ont montré que la solution à double évent n'apportait d'avantages sur la précédente que dans le cas d'enceintes de petite taille ou bien d'enceintes ayant une dimension très importante par rapport aux autres, encore que dans ce dernier cas, il soit difficile de choisir entre cette solution et celle de l'enceinte à évent simple associé à un filtre acoustique interne d'efficacité suffisamment faible pour ne pas affecter la courbe de réponse. A la fin des essais, on a réalisé pour conclure une enceinte de forme identique à celle de la figure 2, en bois comprimé de 20 mmd'épaisseur, ayant une hauteur de 64 cm, une largeur de 36 cm et une profondeur de 30 cm, avec un évent de 16 mm d'épaisseur et de 200 mm de longueur. L'intérieur de la botte est tapissé de laine de verre de 40 mm d'épaisseur et, ceci, sur toute la hauteur du panneau (A) qui s'arrête à 10 cm du fond. Un seul morceau de cette laine de verre est collé en partant du haut sur la paroi verticale servant de flanc, est plié à 90 pour traverser sans appui la botte horizontalement à la base du panneau (A), est à nouveau plié à 90 pour être collé sur l'autre flanc vertical, puis, après un dernier pliage à 90 ", est collé sur le panneau du dessus. En outre, un rectangle de laine de verre est collé sur le fond à l'intérieur du cadre formé par le morceau ci-dessus. I1 n'y a pas de laine de verre sur le panneau (A) dans lequel est percé un trou circulaire de 245 mm de diamètre pour recevoir par l'avant un haut-parleur traité au vernis polyester suivant l'invention. Ce haut-parleur est placé symétriquement de telle sorte que son bord inférieur effleure l'évent. A mi-chemin entre le bord supérieur du hautparleur et le haut de l'enceinte est percé un trou de 80 mm de diamètre pour recevoir un tweeter qui complète l'enceinte. Bien entendu, le réseau décrit plus haut, est connecté en série avec le haut-parleur modifié selon l'invention. Une borne du "boomer" est re liée directement à une borne de la prise d'entrée, tandis que le réseau est intercalé entre l'autre borne du boomer et l'autre borne d'entrée. Une borne du tweeter est reliée directement à une borne de l'entrée tandis qu'un condensateur de 3pF est intercalé entre l'autre borne du tweeter et l'autre borne d'entrée. En outre, une inductance de 0,33 mH est connectée entre les deux bornes du tweeter de manière à réaliser, avec le condensateur de 3 F, un filtre passe-haut de pente 12 dB./Octave prenant le relais du spectre transmis par le haut-parleur traité selon l'invention avec un effet de filtre passe-bas de même pente. Le branchement ci-dessus n'introduit pas de déphasage entre les deux haut-parleurs à la fréquence de coupure. KVENDICATI0NS 1. - Transducteur électro-acoustique comportant au moins un hautparleur, un réseau électrique de filtrage associé à celui-ci et une enceinte contenant le ou desdits haut-parleurs, caractérisé par le fait que la membrane du haut-parleur est construite ou traifée de façon que sa rigidité, en tout point de la membrane, suive approximativement en fonction de la distance r de ce point, au centre de la membrane, une loi de la forme = A (ranz ss étant un coefficient constant et n un nombre entier ou fractionnaire. 2. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on donne à la membrane une épaisseur constante et une densité S variable selon la loi S = À 1 (r) 3. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on donne à la membrane une densité constante et une épaisseur h variant selon la loi h = }92 (r) 2 4. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on applique sur la membrane des couches de vernis en couronnes concentriques, pour réaliser approximativement la loi de variation d'épaisseur selon ladite revendication. 5. - Transducteur électro-acoustique selon l'une quelconque des revendications 1, -2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que, un dôme hémisphérique étant collé au centre de la membrane, les coefficients ss et n sont choisis de façon que le fonctionnement du dôme hémisphérique devienne efficace à partir de la fréquence frontière au-delà de laquelle la membrane principale cesse de fonctionner en piston. 6. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte, en série avec le haut-parleur, un réseau électrique dont l'impédance est négligeable dans le registre grave et prend, dans le registre médium, la valeur nécessaire au maintien de l'amortissement critique et au maintien du rendement. 7. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le réseau est constitué par une inductance en para llèle avec l'ensemble en série d'un condensateur et d'une résistance 8. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1, com portant une enceinte à résonateur de Helmotz avec évent, caractérisé par le fait que l'enceinte comporte sur une de ses faces, au moins- deux parois parallèles ne s'étendant chacune que sur une partie de la hauteur de ladite paroi et, ceci, parallèlement à la plus grande dimension de l'enceinte. 9. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 8, caraco térisé par le fait que l'enceinte comporte une paroi avancée et deux parois en retrait. 10. - Transducteur électro-acoustique selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'enceinte comporte deux parois avancées et une paroi en retrait.