Brevet FR2522912A1 — publié le 19830909

SUSPENSION PERIPHERIQUE EN ELASTOMERE DE LA MEMBRANE D'UN TRANSDUCTEUR ELECTRO-ACOUSTIQUE La présente invention se rapporte aux membranes de transducteur électro-acoustique dans lesquels la membrane est mue par un transducteur électromécanique tel que celui d'un haut-parleur du type à bobine mobile ou du type piézo-électrique. Elle concerne la nature du matériau employée pour réaliser la pièce du haut-parleur, communément appelée suspension extérieure ou bord, qui relie la périphérie de la membrane au châssis du haut-parleur. A ce titre, l'un des aspects de la présente invention consiste en un perfectionnement à l'objet de la FR-A-2.471.113 au nom de l'actuelle demanderesse, lequel objet a trait à la nature du matériau constituant la membrane du transducteur électro-acoustique. Selon ce document de brevet, un haut-parleur inclutune membrane thermoformée à base de polyméthyl-pentène, lequel produit est connu par la marque déposée "TPX" et fabriqué par MITSUI PETROCHEMICAL INDUSTRIES Ltd (JP). Le haut-parleur possède beaucoup de qualités jusqu'alors non rencontrées dans des haut-parleurs dits traditionnels.Parmi ces qualités, on peut citer les suivantes - une très haute efficacité procurant un niveau sonore très élevé pour une puissance électrique appliquée donnée ; ceci résulte de la très grande légèreté du matériau de la membrane dont la densité est de l'ordre de 0,83 et de sa très grande célérité des ondes vibratoires se propageant dans le matériau de la membrane et responsables de l'démission sonore, laquelle célérité est de l'ordre de 2 000 m/s. - une résistance mécanique élevée en fonction de la température, ce qui rend utilisable le haut-parleur dans des cas de sévérité climatique tels que ceux rencontrés dans l'habitacle de véhicules automobiles - une grande neutralité de restitution sonore qui est la conséquence de la faible valeur du facteur de surtension mécanique due à l'excellent amortissement interne du matériau, ce qui réduit l'amplitude de déformation des modes propres de la membrane - un traînage du haut-parleur réduit dans de grandes proportions. Il est à noter que l'utilisation d'une membrane en polyméthyl-pentène a permis de résoudre les problemes habituellement posés lors de la conception d'un haut-parleur traditionnel à membrane en papier. Ces problèmes reviennent à concilier les antinomies d'une part, entre la qualité de restitution sonore et le rendement énergétique, et d'autre part, entre le rendement énergétique et la directivité de la réponse acoustique dans l'espace. Les excellentes qualités liées à l'utilisation du polyméthyl-penthene pour constituer une membrane de haut-parleur se trouvent malheureusement amenuises lorsque celle-ci doit être incluse dans un haut-parleur spécialisé dans la reproduction des graves et médiums, c'est- -tire couvrant la gamne de fréquence comprise entre 40 Hz et 3 KHz. En effet, pour rayonner des basses fréquences, la membrane est contrainte X de grands déplacements axiaux qui ne seraient pas autorisés du fait de la raideur, si la suspension était réalisée dans la même matière à base de polyméthylpentane.Le choix pour la matière de la suspension se trouve donc réduit à des materiaux traditionnels tels que - mousse de polyuréthane ; - tissu enduit ; - papier ondulé traité ; - élastomère de butyl ; - PCV plastifié. Hais aucun de ces matériaux ne possède les qualités requises-pour être associé à une membrane à base de polpmethyl-pentene, ni en ce qui concerne la célérité de propagation d'ébranlements vibratoires, ni en ce qui concerne l'amortissement interne dans le matériau. L'utilisation des matériaux traditionnels précités pour constituer une suspension extérieure d'une membrane à base de polyméthyl-penQne se traduit par des accidents notables dans la fonction de transfert amplitude-frequence, le rayonnement acoustique de la suspension n'étant pas négligeable par rapport à celuide la membrane. Les consuences sont multiples et conduisent à une dégradation des caractéristiques de direc tivit,de distorsion par harmonique et priùcipalementde la réponse i.pul- sionnelle et du traînage. Le but de la présente invention est donc de sélectionner parmi les matieres transformables -coulables ou conformables- facilement par un procédé quelconque en une suspension extérieure de membrane, celles qui sont disponibles dans le commerce à un prix relativement faible et dont les principales caractéristiques vont dans les sens suivants - masse volumique aussi petite que possible - célérité vibratoire aussi proche que pssiie 6 ceUe dl pcilynéb- pente ne - amortissement interne::tang 6 proche de 1 A cette fin, une suspens ion périphérique en élastomère de la membrane d'un transducteur électro-acoustique est caractérisée en ce que l'élas- tomère a pour constituant principal un polybicyclo-D2.2.10 heptène-2. Les polybicyclo- r2.2. heptène-2 sont également dénommés "polynorbornènes" et sont commercialisés par C.D.F. CHIMIE (FR) sous la marque déposée "NORSOREX".Un polynorbornène est un polymère du bycyclo 2.2.1 heptène-2 dénommé "norbornène". Parmi les nombreuses compositions élastomères connues ayant pour constituant macromoléculaire principal un polynorbornène, la demanderesse a sélectionné de telles compositions élastomères dont les principales caractéristiques mécaniques permettent de réduire dans une large mesure les inconvénients de suspensions connues. Ces caractéristiques sont les suivantes : - densité de 0,8 à 1,25 - célérité d'ondes vibratoires se propageant dans la matière de la suspension comprise entre 300 et 600 m/s ; - valeur d'amortissement interne conduisant à une tangente de l'angle de perte mécanique, indiquée généralement par tang 6, comprise entre 0,3 et 1,4. Parmi les compositions élastomères connues à base de polynorbornène, celles ayant les caractéristiques mécaniques précédentes sont telles qu'ont été incorporés notamment un composé à haut point de transition vitreuse compris entre 0 et 150 Celsius en une proportion relativement élevée, par exemple de 100 à plus de 200 parties en poids pour 100 parties de polynorbornène, et des charges finement divisées. De préférence, le composé à haut point de transition vitreuse est un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures tels que des huiles à prédominance aromatique et/ou naphténique à haute viscosité. Les charges sont de préférence du noir de charbon tel que le noir Vulcan 3 (noir H.A.F. ; en anglais "High Abrasion Furnace") en une proportion très élevée, par exemple 150 à 300 parties en poids pour 100 parties de polynorbornène.Les charges peuvent être également issues de silice, kaolin, craie, carbonate de calcium, etc. La composition élastomère peut inclure également un agent de protection contre l'ozone. Ces différentes formulations de la composition élastomère n'ont pour but que de parvenir à l'obtention d'un amortissement important dans la zone de température d'utilisation d'un haut-parleur, c'est-à-dire comprise entre + 15 et + 300 Celsius. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels - la Fig. 1 montre trois formes d'onde délivrées par un générateur à audio-fréquencespour exciter un haut-parleur ; - la Fig. 2 montre trois formes d'onde émises par un haut-parleur selon l'invention en réponse aux excitations par les trois formes d'onde du générateur montrées à la Fig. 1 respectivement - la Fig. 3 montre trois formes d'onde émises par un haut-parleur connu en réponse aux excitations par les trois formes d'onde du générateur montrées à la Fig. 1 respectivement ;; - la Fig. 4 montre trois formes d'onde émises par un autre hautparleur connu en réponse aux excitations par les trois formes d'onde du générateur montrées à la Fig. 1 respectivement ; - la Fig. 5 est une vue en coupe d'un haut-parleur à membrane conique et suspensions conformes à l'invention ; - la Fig. 6 est une vue en coupe d'un haut-parleur à membrane en dôme et suspension conformes à l'invention ; et - la Fig. 7 est une vue en coupe d'un haut-parleur à membrane C dièdre et suspensions conformes à l'invention. A titre d'exemple, des résultats de mesure relatifs à un haut-parleur selon l'invention du type à membrane conique, du genre décrit plus loin en référence à la Fig. 5, sont présentés ci-après.La membrane et les suspensions de ce haut-parleur sont en des matériaux selon l'invention.La membrane est en polyméthyl-pentène. Les suspens ions extérieures de la membrane sont en une composition élastomère à base d'un polynorbornène et ont les caractéristiques mécaniques suivantes - dureté : 50 à 70 selon la norme SHORE ; - masse volumique : 1,12 ; - célérité vibratoire : 410 m/s ; - amortissement interne : tang 6 0,40 pour une gamme de température de + 15 à + 30 Gisius et une plage de fréquence de 100 Hz à 10 KHz. Pour trois trains d'ondes d'excitation à 850 Hz, 2 kHz et 3 kHz montrés à la Fig. 1, les trois réponses sonores respectives -amplitude relative en fonction du temps en milliseconde- du haut-parleur précité selon l'invention sont montrées à la Fig. 2. Les trois réponses sonores de la Fig. 2 sont à comparer aux trois réponses sonores montrées aux Figs. 3 et 4 qui sont issues - pour la Fig. 3, d'un haut-parleur conventionnel ayant une membrane en pulpe de cellulose pressée et des suspensions en mousse de polyuréthane, - pour la Fig. 4 d'un haut-parleur conventionnel ayant une membrane qui est thermoformée en polystyrène connu sous la marque déposée "BEXTRENE" et enauite sur les deux faces d'une même couche d'acétate de polyvinyle du genre "PLASTIFEX" (marque déposée), et des suspensions en PVC plastifié. Ces deux haut-parleurs conventionnels ont des dimensions et agencement de leurs composants identiques à ceux du haut-parleur précité selon l'invention et ont été également excités par les trois mêmes trains d'onde montrésà la Fig. 1. Comme prévu par la théorie, l'examen des propriétés d'un haut-parleur selon l'invention équipé d'une membrane en polyméthyl-pentène associée à des suspens ions extérieures à base de polynorbornène, montre clairement que les défauts indiqués dans le préambule descriptif ont quasiment disparu. L'extrême rapidité de réaction de la matière qui est égale à 410 m/s, soit plus de six fois celle du caoutchouc butyl égale à 60 m/s, est conjugée avec la faible masse volumique pour contribuer à réduire le temps de réponse de la suspension périphérique, ce qui rejette ainsi hors de la bande passante du haut-parleur l'accident périphérique de la fonction de transfert toujours présent pour des haut-parleurs conventionnels. Une suspension dans le haut-parleur selon l'invention suit maintenant parfaitement les mouvements qui lui sont imposés par la membrane, avec le maximum de rapidité, faisant ainsi correctement participer la suspension au rayonnement acoustique.De plus, l'amortissement interne très important de la suspens ion conduit à un coefficient de surtension total de la combinaison formée par la membrane et la suspension de 11 ordre de 2, ce qui améliore le comportement dynamique de la membrane dans sa région périphérique tout en interdisant ses propres modes d'oscillation. La réponse amplitude-fréquence d'un haut-parleur incluant une combinaison de membrane et de suspension selon l'invention est parfaitement uniforme, exempte de résonnances parasites. La caractéristique de directivité du haut-parleur- est fortement améliorée et provient du contrôle de la périphétie de la membrane par les propriétés d'amortissement des suspensions en polynorbornène. Mais l'avantage principal de l'utilisation conjointe du polyméthylpentène pour la membrane associée et du polynorbornène pour les suspensions réside en l'extraordinaire caractéristique de réponse impulsionnelle proche de l'idéal théorique. Cet avantage apparaît clairement en comparant la Fig. 2 avec les Fige. 3 et 4 ; les réponses impulsionnelles de la Fig. 2 pour le hautparleur selon l'invention sont quasiment la reproduction des trains d'onde d'excitation de la Fig. 1, ce qui n'est pas le cas pour les réponses montrées aux Figs. 3 et 4. Lorsque l'on sait que la musique, la parole ou les bruits, en bref, les événements sonores et musicaux sont constitués principalement de re- gimes transitoires, on mesure mieux ce qu'apporte l'utilisation des ma tériaux à base de polynorbornàne pour la ou les suspensions extérieures et à base de polyméthyl-pentène pour la membrane d'un haut-parleur. Une ou plusieurs suspensions périphériques à base de polynorbornène peuvent d'ailleurs être associées avantageusement avec une membrane dont la matière a pour constituant principal un polypropylène ou une composition chimique contenant du polypropylène et du polyéthylène de moyens; densité ou de la fibre de cellulose pressée ou séchée. En se reportant maintenant aux Fige. 5 à 7, on notera que certains. organes des haut-parleurs, tels que les connexions pour l'alimentation des bobines, ont été omis sur les figures pour clarifier les dessins ét que certains organes représentés ne sont pas à la même échelle que celle d'autres organes. Cette dernière remarque est particulièrement vraie pour les dimensions des entrefers et les dimensions relatives d'organes à leur endroit de liaison. On reconnaît à la Pig. I, un haut-parleur spécialisé dans ta reproduction des fréquences basses et moyennes. Il comporte une membrane 1 qui est tronconique à génératrice rectiligne? comme illustré, ou à génératrice suivant une conique telle qu'une hyperbole ou parabole, ou bien encore à génératrice en exponentielle, voire même quelconque. La membrane 1 est en un matériau ayant pour constituant principal du polymébyl-pentène ou du polypropylène, ou en un matériau conventionnel tel que la pulpe de cellulose pressée ou séchée. Dans la suite, on désignera par "matière de membrane selon 1 invention" un matériau tel que défini ci-dessus. La petite base de la membrane 1 est terminée par un tronçon cylindrique 10, de faible longueur, qui est collé convenablement sur l'avant du support ou mandrin cylindrique 20 de la bobine mobile 21 du moteur électro-mécanique 2 du haut-parleur. Ce collage ne nécessite pas parti culièrement une colle spéciale. La partie arrière du support 29 supporte les spires de la bobine 21 qui sont logées au milieu de l'entrefer 22 du circuit magnétique du moteur 2. Le circuit magnétique est constitué d'une pièce polaire avant discolde 23 qui repose sur un aimant permanent annulaire 24 posé sur une plaque magnétisée arrière 25. Le noyau 26 du circuit magnétique est coaxial à la pièce polaire 23 et à l'aimant 24 et est en partie interne au support 20 de la bobine mobile 21. Au dessus du circuit magnétique, le châssis trononique ou saladier 3 du haut-parleur repose coaxialement sur la pièce polaire 23. Deux ou plusieurs suspensions d'extrémité et intermédiaires peuvent relier la membrane 1 au châssis 3 pour centrer celle-ci. La matière des suspensions a pour constituant principal du polynorbornène. Les suspensions externes 11 et internes 12 ne sont que représentées sur la Fig. 5. La suspension externe 11 relie la périphérie de la grande base supérieure avant de la membrane 1 à la grande base du châssis 3. La suspension interne 12 relie le petit tronçon cylindrique arrière 10 de la membrane 1 à la petite base du châssis 3. Ces dernières liaisons sont effectuées par collage. Sensiblement au-dessus de la petite base de la membrane 1, un dôme cache poussière 13 ferme l'ouverture avant du moteur 2, c'est-à-dire l'avant du support 20 de la bobine 21. Ce dôme cache poussière 13 peut être également en une matière ayant pour constituant principal du polynorbornène. La Fig. 6 montre un haut-parleur spécialisé dans la reproduction des fréquences moyennes et élevées. La membrane 4 de ce haut-parleur est en une "matière de membrane selon l'invention". Elle est en forme de dôme hémisphérique. De manière générale, ce dôme de révolution peut être à génératrice rectiligne, circulaire, analogue è une conique ou bien quelconque.La portion arrière de la membrane 4 est terminée par un petit cylindre 40 qui est collé autour de l'avant du support 50 de la bobine mobile 51 du moteur 5 du hautl > arleur. D'une manière analogue au moteur 2 prédécrit, le moteur 5 selon la Fig. 6 comprend également une pièce polaire avant discolde 53 entourant la bobine 51, un aimant permanent annulaire 54 reposant sur une plaque magnétisée arrière 55 et un noyau 56 qui est coaxial à l'aimant 54 et qui forme avec la pièce polaire 53 un entrefer 52. Au-dessus du moteur 5, la partie avant ajourée du châssis 6 du hautparleur repose sur la pièce polaire 53 par l'intermédiaire d'une entretoise annulaire 60. La membrane 4 est centrée au-dessus de l'entretoise 60 au moyen d'une suspension annulaire 41 quiestenunenatière ayant pour constituant principal du polynorbornène. La suspension 41 a son bord périphérique interne qui est collé au tronçon arrière cylindrique 40 de la membrane 4, et son bord périphérique externe qui est entretoisé et serré entre le châssis 6 et l'entretoise 60. Sous la membrane 4 et au-dessus du noyau 56 est prévu un feutre acoustique 43, en forme de dôme également. Par ailleurs, on notera que les suspensions des haut-parleurs des Figs. 5 et 6 peuvent être conformées en un demi-tore dont la concavité est tournée soit vers rintérieurcomne pour la suspension il (Fig.5) soit vers l'extérieur du haut-parleur. Elles peuvent être également conformées sensiblement en S comme pour la suspension 41 (Fig. 6) ou en V. Lg Fig. 7 représente un haut-parleur ayant une membrane 7 qui est en forme de dièdre et en une "matière de membrane selon l'invention". Ce haut-parleur fonctionne dans une très large bande de fréquence recouvrant, en général, toute la bande des fréquences audibles. Les deux extrémités avant 70 des deux surfaces planes rectangulaires ou carrées formant le dièdre de la membrane 7 sont fixées rigidement à un cadre avant rectangulaire ou carré 90 du châssis du haut-parleur. Plus généralement, la partie avant en dièdre ouvert de la membrane 7 peut être développée suivant des génératrices rectilignes, exponentielles, analogues à une portion de conique, ou bien quelconque. Afin de ne pas surcharger la Fig. 7, le châssis n'a été représenté qu'en partie. Un élément plan 71, montre sous forme rectangulaire, prolonge vers l'arrière l'arrente 72 du dièdre de la membrane 7 et est en une "matière de membrane selon l'invention". L'élément plan arrière 71 est coplanaire au plan de symétrie vertical X'X du dièdre et est noyé symétriquement dans l'entrefer 82 du moteur 8 du haut-parleur, ici structure symétrique. Le chant arrière 73 de l'élément plan 71 est relié à un montant arrière 91 du châssis par l'intermédiaire d'une suspension ondulée 74 qui est sensiblement coplanaire au plan X'X. La suspension 74 est en une matière ayant pour constituant principal du polynorbornène. Selon une autre variante, deux suspensions en matière ayant pour constituant principal du polynorbornène peuvent être prévues pour relier les deux extrémités 70 de la partie avant en dièdre de la membrane 7 au cadre avant 90, et le chant arrière 73 peut être fixé rigidement et directement au montant arrière 91. Le moteur 8 du haut-parleur montré à la Fig. 7 comporte un équipage mobile constitué par une bobine plane 81 dont le fil est spiralé rectangulairement sur les faces de l'élément plan arrière 71 de la membrane 7. Les rubans conducteurs 810 formant les grands côtés des spires de la bobine 81 sont seuls générateurs d'une induction dans le circuit magnétique du moteur 8. Ils sont perpendiculaires à la direction des petits déplacements de la membrane 7 et centrés dans les deux entrefers 82 magnétisés à l'opposé du moteur 8. Les extrémités des spires interne et externe de la bobine 81 sont soudées à deux fils d'alimentation 811. Les rubans conducteurs 812 formant les petits côtés des spires de la bobine 81 sont parallèles au déplacement de la bobine entre les entrefers 82 et servent simplement de retour de courant. La partie fixe du moteur 8 -dont la moitié est représentée sur la Fig. 7- comporte par exemple deux aimants parallélépipédiques 84 qui sont disposés symétriquement de part et d'autre du plan X'X et qui sont entretoisés par deux paires de pièces polaires plates 83. Les grands rubans conducteurs 810 de la bobine 81 sont insérés centralement dans les deux entrefers 82 formés par les quatre pièces polaires 83. L'ensemble de la partie fixe du moteur 8 est fixé à l'intérieur d'un double cadre central rectangulaire 92 du châssis du haut-parleur. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des réalisations préférées de haut-parleurs, des membranes en "matière de membrane selon l'invention" et des suspensions en matière ayant pour constituant principal du polynorbornène pour d'autres types de haut-parleurs appartiennent au cadre de l'invention définie par les revendications annexées. Ainsi, l'invention se rapporte également aux haut-parleurs de type à excitation piézo-électrique. Revendications. 1 - Suspension périphérique (11, 12 ; 41 ; 74) en élastomère de la membrane (1 ; 4 ; 7) d'un transducteur électro-acoustique, caractérisé en ce que l'élastomère a pour constituant principal un polybicyclo-[2.2.1] heptène-2 (polynorbornène). 2 - Suspension conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la matière de la suspension (11, 12 ; 41 ; 74) a une densité de 0,8 à 1,25, une célérité d'ondes vibratoires se propageant dans la matière comprise entre 300 et 600 m/s, et une valeur d'amortissement interne conduisant à une tangente de l'angle de perte mécanique (tang ô) comprise entre 0,3 et 1,4. 3 - Suspension conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la matière de la suspension (11, 12 ; 41 ; 74) renferme notamment un composé à haut point de transition vitreuse telle qu'unie huile à prédominance aromatique et/ou naphténique à haute viscosité et des charges finement divisées telles que du noir de carbone. 4 - Suspension conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est conformée en un demi-tore (11) dont la concavité est tournée vers l'intérieur ou l'extérieur du transducteur. 5 - Suspension conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est conformée sensiblement en S (41) ou en V. 6 - Suspension conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la membrane à laquelle est reliée la suspens ion est à base de polyméthyl-pentène. 7 - Suspension conforme à l'une des revendications 1 à 5,caractérisée en ce que la membrane à laquelle est reliée la suspension est à base de polypropylène. 8 - Suspension conforme à l'une des revendications 1 à 5,caractérisée en ce que la membrane à laquelle est reliée la suspension est en pulpe de cellulose pressée ou séchée. 9 - Haut-parleur du type à bobine mobile,caractérisé en ce qu'il comprend une suspension périphérique de membrane conforme à l'une des revendications 1 à 8. 10 - Haut-parleur du type à excitation piézo-électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une suspension périphérique de membrane conforme à l'une des revendications 1 à 8.