Brevet FR2422309A1 — publié le 19791102

l'invention a pour objet un système pour la reproduction de signaux acoustiques de fréquences très basses jusqu'aux plus élevées. L'objet de l'invention se rattache au secteur technique des haut-parleurs, enceintes acoustiques et appareils de reproduction sonore. Tous les haut-parleurs existant dans ce domaine possèdent une ou plusieurs membranes mues par des moteurs utilisant soit la force électromagnétique, soit la force électrostatique. Dans la plupart des cas, les faibles dimensions de ces membranes vis à vis de la longueur d'onde, de la fréquence la plus basse i reproduire, imposent un système interdisant l'égalisation des pressions avant et arrière, soit par l'absorption de l'onde arrière, soit par la remise en phase de cette dernière avec l'onde avant (enceintes closes ou filtres acoustiques). Pour les haut-parleurs électromagnétiques, l'ensemble membrane-moteur le plus utilisé (toujours utilisé en basse fréquence), est le haut-parleur classique à membrane conique, l'inducteur étant à aimant permanent et l'induit solidaire du centre de la membrane (bobine de quelques dizaines de spires).Quelle que soit la conception du haut-parleur, la fonction de transfert de l'accélération de l'induit () sur le courant induit (i) est donnée par la formule formule dans laquelle B est le champ magnétique inducteur, la longueur du conducteur de la bobine de l'induit, m la masse de l'équipage mobile, w6 la fréquence de résonance propre de l'équipage mobile, d le coefficient d'amortissement réduit de la membrane. t La représentation graphique du module de tr /11 avec p (figure 1) montre que si le haut-parleur n'est pas utilisable au dessous de la fréquenceW#, il peut l'etre pour toutes les fréquences supérieures à W ; or ce n'est pas le cas pour deux raisons: a) Ces haut-parleurs sont toujours commandés en tension sauf s'ils sont asservis en accélération.Dans ce cas si W est très supérieur à w0 l'impédance des haut-parleurs est Z * r + r et L étant respectivement la résistance et l'inductance de l'induit. la fonction de transfert devient alors formule dans laquellekJ0' est peu différent de toue et wafflpeu différent de L La représentation graphique de ce dernier résultat (figure 2) montre que le haut-parleur commandé en tension n' est utilisable que dans un domaine restreint de fréquence, entre c et A3 . Dans le cas d'un haut-parleur asservi, l'asservissement n'est guère possible au-delà de 500 Hertz avec les techniques actuellement utilisées. b) En supposant que le haut-parleur soit commandé en courant il faut rappeler que la courbe de réponse de la figure 1 cQn- cerne l'induit et non la membrane qui peut Autre le siège de déformations ou d'ondes stationnaires à fréquences très élevées ; le haut-parleur devient alors inefficace pour ces fréquences. Dans certains tweeter les inconvénients cités ci-dessus sont résolus lorsque l'induit et la membrane ne font qu'un (ruban métallique entre les pôles d'un aimant par exemple), à condition toutefois que le tweeter soit commandé en courant. Lorsque la force électrostatique est utilisée, le haut parleur bénéficie de l'avantage de la "membrane-induit" mentionnée plus haut, car celle-ci constitue une des armatures d'un condensateur polarisé à très haute tension. Cette force électrostatique est également uniformément répartie sur toute la surface de la membrane. ta solution électrostatique telle que pratiquée, impose entre l'amplificateur de commande et le haut-parleur, la présence d'un transformateur de liaison qui limite la bande passante. Il résulte de ce qui précède que pour prétendre à la qualification WHaute-Fidélité", les appareils de reproduction sonore actuels doivent comporter une juxtaposition de plusieurs haut-parleurs en parallèle, constituant des systèmes dits multivoies . Ceci entraîne les inconvénients suivants - Existence d'une fréquence de coupure haute inférieure à celle de l'amplificateur, - Difficulté ou impossibilité d'une parfaite mise en phase des harmoniques d'un même signal émis par les différents haut-parleurs, - Difficulté de raccordement aut fréquences limites de chacune des voies. Te système objet de l'invention remédie aux inconvénients cités en adoptant une solution monovoie électromagnétique à "membrane-induit" commandée en courant et asservie en accélération dans une gamme de fréquence recouvrant toutes les résonances mécaniques ou modes propres de celle-ci. Suivant une première caractéristique, le système pour la reproduction de signaux acoustiques de fréquences très basses jusqu'aux plus élevées, est caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur électro-acoustique ou haut-parleur du type électromagnétique monovoie à très large bande et à "membrane-induit", ladite membrane étant asservie d'une part en accélération dans une gamme de basses fréquences recouvrant toutes les résonances mécaniques propres à la membrane, et d'autre part, en courant pour toutes les autres fréquences ; la chaîne d'action de ce transducteur comprenant un amplificateur de puissance non bouclé, relié au haut-parleur, tandis que la chaîne de réaction dudit transducteur comprend essentiellement un capteur ou moyen équivalent pour la mesure de l'accélération moyenne de la membrane, et un moyen ampèremétrique pour la mesure du courant de commande ; le moyen pour la mesure de l' accélération et le moyen ampèremétrique étant respectivement suivis d'un filtre passe-bas du premier ordre, et d'un filtre passe-haut du premier ordre, le signal de contre-réaction de l'amplificateur étant formé par addition des informations accélération et courant; tandis qu'un moyen assure la stabilité du montage en très basse fréquence. Une autre caractéristique réside dans le fait que la membrane du haut-parleur est constituée de plusieurs rubans conducteurs respectivement montés avec un certain jeu, dans les entrefers d' aimants permanents de forme parallélépipédique notamment, lesdits rubans étant reliés électriquement en série. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront de la suite de la description. Pour bien fixer l'objet de l'invention, sans toutefois le limiter dans les dessins annexés La figure 1 montre par le diagramme de BODE, la rerésen- tation graphique du module de l'équation de transfert En traits fins on a représenté le diagramme asymptotique et en traits forts, la courbe réelle. La figure 2 montre par le diagramme de Bode, la représentation graphique du module de l'équation de transfert Comme dans la figure 1, on a représenté en traits fins le diagramme asymptotique, et en traits forts, la courbe réelle. la figure 3 est le schéma synoptique du système selon l'invention. La figure 4 est une forme de réalisation d'un schéma électrique de principe du système. La figure 5 montre par une vue à caractère purement schématique, le principe de réalisation de la membrane du haut-parleur selon l'invention. La figure 6 est la vue en plan correspondant à la figure 5. La figure 7 montre par une vue de face partielle un exemple de réalisation du haut-parleur selon l'invention. ta figure 8 est une vue en coupe considérée suivant la ligne 8-8 de la figure 7. La figure 9 est une vue de face partielle montrant une autre forme de réalisation du haut-parleur. La figure 10 est une vue en coupe transversale considérée suivant la ligne 10-10 de la figure 9. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative en se référant aux exemples de réalisation illustrés aux figures des dessins. Comme illustré figure 5, la membrane du haut-parleur est constituée par un ensemble de rubans conducteurs 1 qui sont respectivement plongés dans un champ magnétique provoqué par des aimants permanents 2 de forme parallélépipédique. Les rubans I sont électriquement montés en série ; cette structure permet d'augmenter à volonté la surface totale de la membrane, tout en conservant une valeur du champ magnétique relativement élevée. En conséquence, le rôle de ce haut-parleur n'est pas réduit à celui d'un tweeter. La force électromagnétique est uniformément répartie sur toute la surface de la membrane, ce qui a pour effet de conférer au haut-parleur une bande passante infinie, puisqu'il s'agit d'une commande en courant, et au système,la bande passante de l'amplificateur de com- mande qui est généralement supérieure à 100 kilo-Hertz.Pour la même raison la membrane peut être indifféremment souple ou rigide. les différentes cotes du haut-parleur sont telles que la hauteur h des aimants permanents 2 et des rubans conducteurs 1, est de quelques dizaines de centimètres. la largeur 1 des aimants permanents 2 doit être supérieure à deux fois l'amplitude du déplacement de la membrane pour la fréquence la plus basse à reproduire, et ceci à la puissance maximum désirée.Si d ete sont respectivement la densité et la résistivité de la membrane, le rendement qui est égal au- quotient de la Puissance acoustique transmise A l'air ambiant Ps par la puissance électrique dépensée Pe, est proportionnel où n est le nombre de rubans 1. les variations du champ magnétique inducteur APen fonction de l'entrefer e, sont telles qu'il existe une valeur optimum de e. Te produit du doit être faible ; des rubans d'aluminium peuvent satisfaire à cette exigence, cet exemple ne constituant évidemment pas une limitation : tout métal, alliage ou matière conductrice conduisant à un rendement jugé acceptable, peut Strie retenu.L'épaisseur de ces rubans, bien que n'intervenant pas dans le rendement en puissance, doit rester suffisamment faible pour que la masse m de la membrane ne soit pas trop élevée et sa résistance électrique trop faible. En effet, pour un rendement en puissance constant, lorsque la masse de la membrane est grande et sa résistance électrique petite, l'amplificateur de commande doit autre polarisé sous une faible tension et doit pouvoir débiter un courant élevé. De telles conditions de fonctionnement diminuent le rendement de l'amplificateur car les tensions de saturation collecteur-émetteur de l'étage de puissanceÇ 1 volt deviennent de l'ordre de grandeur de la tension de polarisation. Pour des rubans d'aluminium, ces conditions font qu'il est préférable que leur épaisseur reste inférieure à quelques dizaines de microns. la membrane étant généralement souple, les figures 7, 8, 9 et 10, schématisent trois exemples de suspension pour les rubans. Dans la réalisation des figures 7 et 8, les aimants permanents ss sont maintenus régulièrement alternés, par deux peignes 4 et 5 en matière isolante et non magnétique. Tes rubans conducteurs 6 sont fixés aux peignes 4 et 5 par des pastilles de cuivre 1 et 8 électriquement en contact avec les rubans 6. Te retour du courant au ruban adjacent est assuré par une feuille mince de cuivre 2 collée contre chaque aimant 3. Cette disposition réduit l'inductance de l'induit qui peut être gênante pour certains dispositifs de mesure de l'accélération commeil sera décrit dans la suite de la description.Des vis 10 et 11 et descD ssesà souder 12 et 13 assurant le contact électrique entre chaque ruban 6 et chaque feuille de cuivre e. La suspension du ruban, dans l'exemple de la figure 7 est assurée par un cylindra 14 réalisé dans un matériau à limite élastique élevée, et coincé en position légèrement écrasée entre le peigne 4 et le ruban 6, ce dernier venant buter sur une tige cylindrique 15 collée sur la section supérieure des aimants 1. Afin d'éviter les bruits de froissement lorsqu'il s'agit par exemple d'un ruban en aluminium, ce dernier peut préalablement transversalementdes ondula Autre mis en forme par exemple en forman- ; des ondula- tions, puis légèrement retendu et enfin enduit d'une fine eouche plastifiante. Dans le cas où les rubans 6 présentent une haute limite élastique ces derniers sont fixés à chaque extrémité sur les peignes 4 et 5 simplement au moyen des pastilles de cuivre 7 et 8 ; c'est donc ltélasticité du ruban qui assure sa propre suspension. Tes figures 9 et 10 représentent une deuxième forme de réalisation pour la fixation d'un ruban élastique lorsque la mise en forme de celui ci a été faite par des ondulations longitudinales. les deux grands côtés verticaux du ruban 16 sont collés sur un cadre isolant et non magnétique 17. L'injection et l'extraction du courant de commande se font par quatre petites pastilles de cuivre 18 visses sur le cadre 17, tout en-a'appuyant sur la partie collée du ruban, afin d'établir le contact électrique.Te cadre 17 est ensuite placé dans l'entrefer e des aimants , puis collé sur ces derniers. te retour du courant vers le ruban adjacent s'effectua par un conducteur isolé 19 collé contre le cadre 17,dont les extrémités peuvent être directement soudées sur les pastilles 18. Dans l'exemple des figures t et 8 notamment, il s'avère nécessaire de laisser un jeu J entre les rubans 6 et les aimants 3. Ce jeu J, le rapport e/h (figure 5), la forme du ruban, et le mat6- riau dont est fait le ruban, doivent être tels qu'ils assurent un maintien suffisant de la membrane perpendiculairement au sens de déplacement normal, afin que celle-ci ne touche pas les aimants lorsqu'elle est en action. Lorsque ce dispositif est fixé sur une enceinte close, les évents parasites dus au jeu mentionné plus haut, n'ont aucune incidence néfaste sur le rendement acoustique, car au-dessus de la fréquence u30 le déplacement moyen de l'air, immédiatement derrière la membrane, est en phase avec celui des rubans. C'est seulement pour les fréquences inférieures à tao que ce déplacement moyen devient nul, entrainant une fuite d'air par les évents, égale à la variation du volume intérieur à l'enceinte. On note que dans l'exemple des figures 9 et 19,1a surface des évents parasites, est considérablement réduite. il est bien évident que les différents modes de réalisation décrits ci-dessus pour le montage des rubans, sont donnés à titre d'exemples indicatifs nullement limitatifs, et n'en excluent aucun autre; Ces différents modes d'exécution étant fonction des matériaux utilisés et de la géométrie du haut-parleur. Selon l'invention, le transducteur électrácoustique ou haut-parleur décrit précédemment, est du type électromagnétique monovoie à très large bande et à "membrane-induit" asservie d'une part en accélération dans une gamme de basses fréquences recouvrant toutes les résonances mécaniques propres à la membrane, et d'autre part asservie en courant pour toutes les autres fréquences. Comme montré figure 3, la chaîne d'action de ce transducteur comprend un amplificateur de puissance 20 non bouclé, et relié au haut-parleur HP. La chaîne de réaction comprend essentiellement un capteur ou moyen 21 pour la mesure de l'accélération moyenne de la membrane, et un moyen ampèremétrique 22 pour la mesure du courant de commande. Ces deux moyens 21 et 22 sont respectivement suivis d'un filtre passe-bas 2 et d'un filtre passe-haut 24, tous deux du premier ordre, le signal de contre réaction de l'amplifimateur 20 étant formé par addition des informations accélération et courant. Un moyen 25 assure la stabilité du montage en très basses fréquences. La nature de la membrane n'autorise pas l'utilisation d'un accéléromètre ponctuel nécessitant une liaison mécanique avec celle ci. il s'avère donc nécessaire d'effectuer-une mesure électronique de l'accélération moyenne de la membrane. A titre d'exemple comme illustré par le schéma de principe figure 4, la force contre électromotrice du haut-parleur HP est mesurée à l'aida d'un pont d'impédances dont l'une des branches est constituée par la résistance R et l'inductance 1 de l'induit du haut-parleur au repos. Les trois autres branches sont formées successivement de la résistanceoeR, de la réslstanceccr, et enfin de la self 1 en série avec une résistance zest un coefficient élevé, de façon à ce que le courant i dérivé dans les branches3tR eto(r, soit négligeable devant le courant de commande I. De plus, la résistance r doit être petite devant la résistance de l'induit R, pour ne pas détériorer le rendement.Ce pont est réglé de telle manière que T = I R r ta tension de déséquilibre mesurée par un amplificateur différentiel 26, est donc la force contre électromotrice du haut parleur HP, elle-même proportionnelle à la vitesse de la membrane. Cette vitesse est enfin dérivée par un filtre passe-haut constitué d-'une résistance R1 et d'un condensateur C1. la tension aux bornes de R1 est alors proportionnelle à l'accélération r, depuis le continu jusqu'à la fréquence de coupure = 1/R1 C1 ; au-delà de w l'accélération r est affaiblie à raison de 6db/octave ; devant être supérieur à la fréquence du mode propre de la membrane, le plus élevé.Il faut remarquer que les inductances X et 1, de par leur nature, ne présentent pas un comportement idéal : la présence des aimants pour If et la présence d'un noyau de ferrite réglabe pour 1. Pour cette raison l'homotétiedes branches R,L et r,l, ne peut plus être assurée parfaitement à partir de la fréquence entrainant une distorsion de la vitesse mesurée. Il faut donc que l'inductance L de l'induit du haut-parleur, soit la plus faible possible, afin de repousser ces distorsions aux fréquences les plus élevées, loin de la gamme où l'asservissement en accélé- ration entre en jeu. Pour asservissement en courant, le courant de commande est mesuré à l'aide de la résistance r du pont d'impédances, puis affaibli à raison de 6db/octave au-dessous deC,J'c par un filtre passe haut composé comme précédemment d'une résistance R2 et d'un condensateur C2. Les informations courant et accélération réglées i amplitudes égales, sont alors additionnées par la résistance R6 , à travers les résistances R3 et R4, pour former le signal de contre réaction de l'amplificateur de puissance 20. La troisième boucle arrivant sur une résistance R5, est rendue nécessaire pour conserver la stabilité du montage en très basse fréquence ; en effet, au dessous de (Jo l'accélération et le courant de commande sont dd-- phasés de 1800 et de plus, la présence des deux capacités C1 et C2 montre clairement que ce système n1 est pas contre-réactionné pour le continu.Cette troisième bouele utilise la tension de sortie de l'amplificateur de puissance dans la gamme très basse fréquence. La commande décrite plus haut ne constituant qu'un exemple particulier, il est bien évident que tout système conforme au schéma synoptique de la figure 3, constitue une réalisation concrête de l'invention. Ces variantes peuvent concerner plus particulièrement la mesure non destructive de l'accélération. Par exemple un grillage conducteur fixé sur les aimants et placé en regard de la membrane, constitue avec celle-ci uncondenstaur dont on peut mesurer les variations de capacité, soit lorsque ces variations modulent un oscillateur haute fréquence, soit lorsque ce condensateur est polarisé à tension constante. Le signal ainsi recueilli est dérivé deux fois afin d'obtenir l'accélération. Selon la méthode employde, la membrane peut & re constituée d'une double déposition métallique sur chacune des faces d'un film isolant, l'une des dépositions constituant l'induit, l'autre constituant un élément du capteur d'accélération.Malgré la présence physique d'une deuxième couche conductrice, ce type de capteur peut être considéré comme non destructeur,dans la mesure où par rapport à la membrane-induit idéale ce ne sont que la densité d et la résistivité t moyennes de la membrane,qui vont être modifiées. Quel que soit le principe et les composants entrant en jeu pour la mesure de l'accélération Ç, il s'avère nécessaire d'obtenir une information sur l'accélération moyenne de toute la surface vibrante de la membrane lorsque cette dernière n'est pas rigide. Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne : - T'emploi d'un seul haut-parleur dont la surface de la membrane peut être arbitrairement importante, par multiplication des rubans et des aimants, sans en altérer les caractéristiques, - La possibilité de reproduire des signaux acoustiques à partir de fréquences très basses de quelques hertz, jusqu'aux fréquences les plus élevées, plusieurs centaines de kilohertz, retransmises par l'amplificateur de puissance, - Ta qualité de reproduction. L'invention ne se limite aucunement à celui de ces modes d'application, non plus qu' ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant plus spécialement été indiqués ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVEMDICAEIONS -1- Système permettant la reproduction de signaux acoustiques de fréquences très basses jusqu'aux plus élevées, caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur électro-acoustique ou haut parleur du type électromagnétique monovoie à très large bande et à "membrane-induit11, ladite membrane étant asservie d'une part en accélération dans une gamme de basses fréquences recouvrant toutes les résonances méeaniques propres à la membrane, et d'autre part, en courant pour toutes les autres fréquences 3 la chaîne d'action de ce transducteur comprenant un amplificateur de puissance non bouclé, relié au haut-parleur, tandis que la chaîne de réaction dudit transducteur comprend essentiellement un capteur ou moyen équivalent pour la mesure de l'accélération moyenne de toute la surface vibrante de la membrane, et un moyen ampêremétrique pour la mesure du courant de commande ; le moyen pour la mesure de 1' accélération et le moyen ampèremétrique étant respectivement suivis d'un filtre passe-bas du premier ordre, et d'un filtre passe-haut du premier ordre, le signal de contra-réaction de l'amplificateur étant formé par addition des informations accélération et courant, tandis qu'un moyen assure la stabilité du montage en très basse fréquence ;; -2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane du haut-parleur est constituée de plusieurs rubane conducteurs respectivement montés avec un certain jeu, dans les entrefers d'aimants permanents de forme parallélépipédique notamment, lesdits rubans étant reliés électriquement en série n -3- Système selon les revendications 1 et 2 ensemble, caractérisé en ce que le moyen pour la mesure de l'accélération moyenne de toute la surface vibrante de la membrane, comprend notamment un pont d'impédances dont l'une des branches est constituée par la résistance et l'inductance de l'induit du haut-parleur au repos, deux autres branches du pont étant constituées chacune par une résistance tandis que la dernière branche comporte une résistance en série avec une inductance ; la tension de déséquilibre captée aux bornes du pont est mesurée par un amplificateur différentiel et correspond à la force contre électromotrice dudit haut-parleur, elle-même proportionnelle à la vitesse de la membrane qui est dérivée par le filtre passe-haut composé par une résistance et un condensateur -4- Système selon les revendications 1, 2 et 3 ensemble, caractérisé en ce que le courant de commande est mesuré à l'aides de la résistance du pont d'impédances monté en série avec une in ductance, puis affaibli par un autre filtre passe-haut composé également par une résistance et un condensateur ;; -5- Système selon les revendications 1 et 2 ensemble, caractérisé en ce que le moyen pour la mesure de l'accélération moyenne de toute la surface vibrante de la membrane, comprend notamment une double dérivation, à l'aida du filtre passe-haut, du résultat de la mesure de la variation de la capacité d'un condensateur dont l'une des armatures est constituée par la membrane elle-mAme, l'autre armature étant constituée d'un grillage conducteur fixé en regard de la membrane ;; -6- Système selon les revendications 1, 2 et 4 ensemble, et l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les informations courant et accélération, réglées à amplitudes égales, sont additionnées, à travers deux résistances en parallèle montées respectivement en série avec les filtres des moyens ampèremétriques et pour la mesure de l'accélération, par une résistance en série pour former le signal de contre-réaction de l'amplificateur de puissance -7- Système selon les revendications 1, 2, 4 et 6 ensemble et l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que la stabilité du montage en très basse fréquence, s'opère notamment par deux résistances et un condensateur ; ; -8- Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rubans sont montés avec un ou des moyens permettant leur suspension -9- Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rubans présentent des formes et subissent des traitements leur conférant une haute limite élastique.