Brevet FR2546022A1 — publié le 19841116

-1 - "Transducteur électro-acoustique muni d'une membrane perméable à l'air". L'invention concerne un transducteur électro-acoustique muni d'une membrane et de moyens de décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées de la courbe de réponse du transducteur Un transducteur de ce genre est connu du brevet des Etats- Unis d'Amérique N 2 007 750 Ce transducteur connu est un transducteur électrodynamique muni d'un filtre mécanique cou- plé entre une carcasse de bobine mobile et une membrane conique. Il est à remarquer que l'invention n'est nullement limitée à des transducteurs en forme de transducteurs électrodynamiques mais qu'elle s'applique également à des transducteurs d'un autre genre, par exemple, des transducteurs capacitifs En plus, l'invention n'est pas limitée à des transducteurs munis d'une membrane conique, mais s'applique également à des transducteurs munis de membranes en dôme ou de membranes plates. Dans le transducteur connu, la force motrice de la carcas- se de bobine mobile est transmise à la membrane par le filtre méca- nique Ce filtre présente une caractéristique passe-bas, de sorte que la retombée en fréquences élevées de la courbe de réponse du transducteur a lieu plus tôt, c'est-à-dire à des fréquences plus basses. L'un des exemples décrits dans ledit brevet comporte un filtre mécanique constitué par une bague de liaison en matériau élastique L'utilisation d'une telle bague comme filtre mécanique présente l'inconvénient que lors de l'usage du transducteur, à la suite de la très forte augmentation de la température de la bobine mobile et de la carcasse de bobine mobile aussi bien que de la dis- sipation intérieure des vibrations mécaniques dans le matériau du filtre mécanique, la température dans le matériau du filtre mécani- que peut augmenter à des valeurs très élevées, ce qui peut provoquer une modification irréversible des propriétés du filtre mécanique telle, que le filtre et par conséquent aussi le transducteur ne fonctionnent plus de la manière souhaitée. -2- De plus, la construction montrée présente l'inconvénient de nécessiter dans la fabrication une étape supplémentaire pour le montage de la bague élastique, ce qui rend le transducteur assez coûteux. L'invention vise à fournir un transducteur électro-acous- tique qui est moins coûteux et qui, en outre, présente durant un temps plus long le fonctionnement souhaité cité ci-dessus A cet effet, le transducteur électro-acoustique conforme à l'invention est remarquable en ce que lesdits moyens de décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées comportent la me- sure consistant à donner à la membrane sur toute sa surface un cer- tain degré de perméabilité à l'air, le degré de perméabilité à l'air de la membrane étant tel qu'il se produise au moins un pasage de 50 litres d'air par seconde et par mètre carré lors d'une différence de 200 Pa ( = 200 N/m 2) entre les pressions d'air de part et d'autre de la membrane. L'invention se base sur l'idée que le décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées de la courbe de réponse peut également être réalisé d'autres manières et, notamment, par la perméabilisation de la membrane, mesure qui est conforme à l'invention. les transducteurs jusqu'ici connus sont munis de membra- nes, par exemple, des membranes en matière plastique, telle que du polypropylene, voir le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 190 746, qui sont imperméables à l'air Les cônes en papier de haut-parleurs à cône sont, eux aussi, conçus pour être imperméables à l'air Ces cônes en papier sont toutefois poreux et présentent tout de même un certain degré de perméabilité à l'air Des mesures effectuées sur des c Anes en papier d'un grand nombre de haut-par- leurs à cône ont permis à la Demanderesse de constater que cette perméabilité à l'air correspond à un passage de l'ordre de 25 litres d'air au maximum par seconde et par mètre carré pour une différence de pression de 200 Pa de part et d'autre de la membrane De plus, une comparaison que la Demanderesse a établi entre des courbes de réponse de transducteurs munis de membranes en matière plastique et -3- celles de transducteurs munis de membranes de papier a permis de constater qu'il n'était pas question d'une retombée supplémentaire en fréquences élevées pour les transducteurs connus munis d'une mem- brane en papier Dans ce cas, on a fait en sorte que tous les autres paramètres physiques soient égaux pour les deux types de transduc- teur Ce n'est que pour une perméabilité à l'air beaucoup plus gran- de qu'il s'avérait être possible de réaliser un décalage sensible vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences éle- vées Cette plus grande perméabilité à l'air s'avérait correspondre au passage précité de 50 litres par seconde et par mètre carré dans les conditions données. La perméabilité à l'air de la membrane comporte une compo- sante de résistance acoustique pour les ondes acoustiques Or, la perméabilité à l'air peut être choisie de façon que pour la partie fréquences basses de la courbe de réponse du transducteur, la résis- tance acoustique totale des parties perméables à l'air de la membra- ne soit de beaucoup supérieure à l'impédance acoustique de rayonne- ment Pour les fréquences basses, le comportement de vibration de la membrane aussi bien que son émission du son reste à peu près les mêmes que pour un transducteur muni d'une membrane complètement im- perméable. Pour des fréquences croissantes, l'impédance de rayonne- ment augmente à la suite de la composante inductive comprise dans celle-ci Par conséquent, la perméabilité de la membrane se manifes- te à des fréquences plus élevées Dans ce cas, il se produit en quelque sorte une fuite pour les ondes acoustiques à travers la mem- brane En comparaison d'une membrane entièrement imperméable à l'air, l'émission du son d'une membrane perméable à l'air sera donc plus faible, ce qui aboutit à une retombée en fréquences élevées qui commence déjà à des fréquences plus basses Ensuite, cette retombée suit une ponte de l'ordre de 6 d B par octave. Dans ce qui précède, on a évidemment supposé que la mem- brane permeable à l'air possède les mêmes propriétés mécaniques que la membrane originale, imperméable à l'air, de sorte que le compor- tement en vibration est le meme. -4- Il est à remarquer que le brevet anglais N 854 851, la demande de brevet allemand No 22 52 189 et le brevet américain N 2 022 060 préconisent des transducteurs munis d'une membrane pré- sentant une ou plusieurs perforations Toutefois, les dimensions de ces perforations sont telles, que l'effet souhaité du décalage de la retombée en fréquences élevées ne peut pas être réalisé De plus, la perméabilité à l'air est répartie de façon discontinue sur la surfa- ce de la membrane Ainsi, on n'a réalisé que quelques perforations individuelles, réparties sur la surface de la membrane. Si le transducteur électro-acoustique conforme à l'inven- tion est muni d'une membrane plate, on choisit le degré de perméabi- lité à l'air de préférence à peu près uniforme sur toute la surface de la membrane Pour des membranes coniques, la réalisation de cette condition n'est pas simple Si avant le pressage des cônes, on part d'une couche de matériau de cône dont la perméabilité à l'air est uniformément répartie sur la surface, il s'avère qu'après le pressa- ge des cônes, la perméabilité à l'air est plus faible au bord que dans le centre. En changeant le degré de perméabilité à l'air, on peut faire varier la taille de la résistance acoustique que représente la membrane perméable à l'air Ainsi, on peut régler la variation de la retombée en fréquences élevées, et cela de façon qu'une perméabilité plus grande à l'air, qui correspond donc à une résistance acoustique plus faible, provoque le décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées. Le plus souvent, les transducteurs électro-acoustiques sont munis d'un bord souple fixé entre la circonference extérieure de la membrane d'une part et le chassis du transducteur d'autre part Un tel bord fait fonction de suspension extérieure pour la membrane De préférence, conformément à l'invention, on fait en sor- te que le bord souple soit également doté d'un certain degré de per- méabilité à l'air, le degré de perméabilité à l'air d'une couche faite du matériau constituant le bord souple étant également tel qu'on obtienne au moins un passage de 50 litres d'air par seconde et par mètre carré pour une différence de 200 Pa entre les pressions -5- d'air de part et d'autre de la couche de ce matériau Cela permet d' éviter que le décalage vers des fréquences plus basses de la re- tombée en fréquences élevées ne soit perturbé par une contribution de fréquence élevée du bord souple au son émis. Ia membrane peut être constituée par un textile ou un ma- tériau non tissé renforcés par un agglutinant thermodurcissant ou thermoplastique Etant donné que l'agglutinant adhère aux fibres, surtout aux points o ces fibres sont les plus proches les unes des autres, on obtient une liaison sûre entre les fibres, ce qui permet de réaliser une membrane suffisamment rigide De plus, l'adhérence locale laisse subsister des pores dans le matériau qui est ainsi perméabilisé à l'air I 1 s' y ajoute que le degré de concentration de l'agglutinant permet de déterminer le degré de perméabilité à l'air de la membrane. La description suivante, en regard du dessin annexé, per- mettra de mieux comprendre comment l'invention est réalisée. La figure 1 représente un mode de réalisation d'un trans- ducteur électro-acoustique conforme à l'invention. Ia figure 2 représente trois schemas électriques équiva- lents du type d' impédance du transducteur de la figure 1. La figure 3 représente deux courbes de réponse. La figure 4 est une vue (agrandie) de la membrane. Ia figure 1 illustre en coupe un transducteur conforme à l'invention Le transducteur a la forme d'un haut-parleur à bobine mobile muni d'une membrane conique 1 Par son bord intérieur, la membrane 1 est fixée à une carcasse 2 de bobine mobile portant une bobine mobile 3 L'ensemble de la carcasse de bobine mobile et de la bobine mobile peut se déplacer dans un entrefer formé par un systeme magnétique 4 Ia structure du système magnétique est conventionnelle et n'a pas besoin d'être expliquée puisque l'invention n'a pas trait à des mesures relatives au système magnétique Aussi l'invention n'est-elle pas limitée aux transducteurs muni d'un système magnéti- que d'une structure identique à celle du système magnetique de la figure 1 La carcasse 2 de bobine mobile est fixée au chassis 6 de haut-parleur par l'intermédiaire d'une bague de centrage 5 Le bord -6- extérieur de la membrane 1 est, lui aussi, fixé au châssis 6 de haut-parleur, par l'intermédiaire d'un bord souple (ou bague de cen- trage) 7. Le transducteur est muni de moyens servant à décaler vers des fréquences plus basses la retombée en fréquences élevées dans la courbe de réponse du transducteur Pour permettre de réaliser ce décalage, la membrane est perméable à l'air sur toute sa surface. Comme déjà dit, le degré de perméabilité à l'air de la membrane co- nique 1, au lieu d'être uniforme sur toute la surface, est plus fai- ble à la périphérie extérieure, indiquée par la référence 10, qu'à des endroits plus proches du centre, indiqués par la référence 11. En effet, une membrane conique est obtenue par pressage d'une couche plate du matériau de membrane Dans ces conditions, le sommet du cône est sorti du plan représenté par la couche du matériau de mem- brane C'est donc la partie de membrane contiguë au sommet du cône qui a subi le plus grand degré d'allongement Partant d'une couche du matériau de membrane ayant une perméabilité uniforme sur toute la surface, cela signifie qu'après le pressage, la partie de membrane contiguë au sommet aura une plus grande perméabilité à la suite de l'allongement du matériau. Ci-après, on va décrire le fonctionnement du transducteur de la figure 1 en regard du schéma équivalent de la figure 2 La figure 2 est un schéma équivalent du type d'impédance du transduc- teur de la figure 1 qui est monté dans une paroi infiniment grande (baffle) En effet, pour un fonctionnement correct du transducteur, celuici doit être monté soit dans une paroi infiniment grande, soit dans une enceinte fermée pour éviter ainsi le court-circuit acousti- que entre les ondes acoustiques émises par l'une et par l'autre pa- roi de la membrane, court-circuit acoustique qui se produirait en l'absence de la paroi ou de l'enceinte. Le schéma équivalent complet est représenté sur la figure 2 a Le schéma représente trois circuits partiels Ia partie indiquée par la référence I constitue la partie électrique la source de si- gnaux électriques peut être raccordé aux bornes 12-12 ' Ces bornes 12-12 ' sont couplées à l'un des côtés d'un gyrateur 13 à travers une -7impédance électrique Ze correspondant à la résistance et l'auto inductance de la bobine mobile La partie indiquée par la référence II constitue la partie mécanique L'autre c'té du gyrateur 13 est couplé à travers l'impédance Z à l'un des côtés d'un transforma- teur 14 L'impédance Zm comporte un montage série d'une capacité, d'une résistance et d'une auto-inductance, à savoir les équivalents électriques respectivement de la suspension, de la masse et de l'a- mortissement mécanique de la partie mobile du transducteur, consti- tuée par la membrane, la bobine mobile et la carcasse de bobine mo- bile La partie indiquée par la référence III constitue la partie acoustique L'autre côté du transformateur 14 est couplé au montage parallèle d'une impédance Zam, correspondant à l'impédance acous- tique due à la perméabilité à l'air de la membrane 1, et d'une impé- dance 2 Zar, correspondant à l'impédance acoustique de rayonnement excercée par l'ambiance sur la face avant et la face arrière de la membrane (d'ou le facteur 2) Le grateur 13 fixe les relations sui- vantes entre les parties électrique et mécanique: F = Bl i (la) vs = u (lb) Bl Dans ces relations, i est le courant traversant la bobine mobile, B est l'inductance magnétique dans l'entrefer du système magnétique 4, 1 est la longueur du conducteur de la bobine mobile, Fs la force exercée sur la bobine mobile, u la contre-F E M et vs la vitesse de la bobine mobile (et donc de la membrane) Le transformateur 14 fixe les relations suivantes entre les parties mécanique et acoustique: F 1 = Sm Pm ( 2 a) v = Sm vs ( 2 b) Dans ces expressions, F 1 est la force que la membrane exerce sur l'air ambiant, S est l'étendue de la surface de mem- brane, Pm la pression sonore à l'endroit de la membrane et vv la vitesse volumique des ondes acoustiques. Par conséquent, dans un schéma équivalent du type d'impé- -8- dance, les forces et les pressions (sonores) sont représentées par des tensions, alors que les vitesses (volumiques) sont représentées par des intensités de courant. Pour la suite de l'explication du fonctionnement, il suffit de considérer les parties mécanique et acoustique La partie électri- que a été omise pour simplifier la description dans la mesure du pos- sible De plus, cette omission est permise puisque l'influence de la partie électrique est faible en comparaison des influences des autres composantes. Sur la figure 2 b, on n'a représenté que les parties mécani- que et acoustique, la partie mécanique étant transférée dans la par- tie acoustique Pour des fréquences élevées, (c'est-à-dire pour des fréquences supérieures à la fréquence de résonance du transducteur, fréquence de résonance qui, en effet, détermine la limite inférieure de la gamme de fréquences de travail ou de la courbe de réponse - du transducteur) on peut réduire le schéma de la figure 2 b à celui de la figure 2 c A des fréquences élevées f, la composante inductive mm/Sm 2 dans l'impédance Zm/Sm 2 joue le rôle le plus important De la même manière, la composante inductive mar dans l'impédance de rayonnement Zar joue le rôle le plus important Comme la perméabi- lité de la membrane a surtout une fonction de résistance acoustique, Za peut être remplacée par Ram Par rapport à Ram, la (très) faible composante inductive dans Zam reste faible même à des fré- quences élevées, de sorte que cette composante peut être omise Par- tant du schéma de la figure 2 c, la pression sonore Pm peut être calculée pour deux situations, à savoir une première dans laquelle R est infiniment grande, c'est-à-dire que la membrane est imper- amn méable aux ondes acoustiques, et une deuxième dans laquelle la mem- brane est au contraire perméable aux ondes acoustiques, c'est-à-dire que Ram une retombée à partir d'une fréquence déterminie souhaitée, c'est-à- dire une fréquence telle qu'elle soit située au-dessous de la fré- quence constituant la limite supérieure dans la courbe de réponse d'un transducteur dépourvu d'une membrane perméable à l'air. La figure 3 donne les résultats de deux mesures Une pre- mière mesure a été effectuée sur un transducteur muni d'une membrane imperméable à l'air, voir la courbe de réponse indiquée par la réfé- rence 15, alors qu'une autre mesure a été effectuée sur un transduc- teur du même type, mais muni d'une membrane perméable à l'air Ia courbe de réponse de ce transducteur est indiquée par la référence 16 Dans les courbes de réponse, la pression sonore p, exprimée en d B, a été reportée en fonction de la fréquence f Ia figure 3 montre -1 00- clairement que la retombée en fréquences élevées de la courbe de réponse 16 commence plus tôt, c'est-à-dire à des fréquences plus basses, que la retombée en fréquences élevées de la courbe de répon- se 15. Si le transducteur est placé dans une enceinte acoustique, il se produit en outre une retombée en fréquences basses due à la résistance Ram et à l'élasticité acoustique de l'enceinte En ef- fet, cette élasticité acoustique se manifeste comme une capacité Cab montée en série avec l'impédance de rayonnement Zar de la figure 2 Par le choix correct de Ram et de Cab, la fréquence de coupure de cette retombée en fréquences basses peut 9 tre établie de façon à venir se situer audessous de la fréquence de résonance du transducteur et, par conséquent, au-dessous de la limite inférieure de la gamme de fréquences de travail du transducteur, de sorte que cette retombée en fréquences basses n'a aucune influence sur le fonctionnement du transducteur. Ia variation du degré de perméabilité à l'air de la mem- brane et, par conséquent, de la résistance acoustique Ram, provo- que aussi une variation de la fréquence de coupure pour cette retom- bée en fréquences basses, variation qui est telle qu'un plus grand degré de perméabilité à l'air, c'est-à-dire une résistance acousti- que plus faible, (qui est souhaitable pour un décalage vers des fré- quences encore plus basses de la retombée en fréquences élevées) ait pour résultat que la fréquence de coupure pour la retombée en fréquences basses décale vers des fréquences plus élevées Comme on veut maintenir la fréquence de coupure pour la retombée en fréquen- ces basses au-dessous de la fréquence de résonance du transducteur et, par conséquent, au-dessous de la limite inférieure de la gamme de fréquences de travail du transducteur, la variation de la fré- quence de coupure pour la retombée en fréquences basses vers des fréquences plus élevées est donc limitée Pour la variation de la fréquence de coupure de la retombée en fréquences élevées, cela si- gnifie qu'elle est limitée vers des fréquences plus basses Par- fois, le choix de la valeur de la fréquence de coupure pour la re- tombée en fréquences élevées est donc un compromis entre, d'une -11- part, une retombée en fréquences élevées se situant à une fréquence la plus faible possible et, d'autre part, une retombée en fréquences basses qui se situe encore au-dessous de la fréquence de résonance du transducteur De préférence, le bord souple (ou la bague de cen- trage) 7 est également perméable à l'air Cela permet d'éviter qu'aux fréquences élevées, ce bord contribue encore à l'émission du son. Une membrane perméable à l'air conforme à l'invention peut être réalisée de différentes manières On part d'un textile ou d'un matériau non tissé, par exemple, du co Bton, du verre, du polyamide, du polyester ou du polypropylène Cette énumération n'est pas limi- tative du fait qu'on peut également utiliser d'autres matériaux De plus, le matériau utilisé est additionné d'un liant thermodurcissant (tel que des résines époxydes ou des résines à base de phénol) ou d'un agglutinant thermoplastique (tel que du caoutchouc styrène- butadiène, du polyuréthane, du polyacrylate, du polypropylène, un polyester ou un polyéthylène à faible point de fusion). Ci-après, on va décrire quelques-uns des procédés de réa- lisation de la membrane. ( 1) Le textile ou le matériau non tissé est imbibé d'un agglutinant thermodurcissant Ensuite, le mat 6 riau imbibé est pressé dans sa forme correcte à une température élevée Il se produit une réaction chimique L'agglutinant se polymérise et adhère aux fibres, essentiellement aux endroits o celles-ci sont les plus proches les unes des autres L'agglutination ainsi obtenue donne au matériau la rigidité souhaitée De plus, il subsiste une quantité suffisante de pores pour que le matériau reste perméable à l'air ( 2) Les agglutinants thermoplastiques peuvent être utilisés de deux manières. a) Lors de l'utilisation de caoutchouc styrène-butadiène, de polyacrylate ou de polyméthame comme agglutinant, le textile ou de matériau non tissé est trempé dans une solution ou une émulsion de l'agglutinant Ensuite, le matériau trempé est préchauffé et ensuite pressé à basse température pour donner à -12- la membrane sa forme définitive Au cours du préchauffage, il se produit une réaction physique L'agglutinant se fond et adhère aux fibres de la même manière que décrite sous ( 1). b) Si l'agglutinant est du polypropylène, un polyester ou un poly éthylène (en général fibreux) à faible point de fusion, les fibres de l'agglutinant sont mélangées avec le textile ou le ma- tériau non tissé L'agglutinant présente un point de fusion plus faible que le textile ou le matériau non tissé Le mélange est pressé entre des rouleaux chauds, de sorte que l'agglutinant en- tre également en fusion et adhère aux fibres du textile ou du matériau non tissé A l'état encore chaud, le matériau est ensui- te pressé à basse température pour donner à la membrane sa forme définitive. Dans ce qui précède, on n'a pas visé à entrer dans le dé- tail des procédés de réalisation des membranes conformes à l'inven- tion Pour la réalisation de membranes -conformes à l'invention, il existe donc des procédés autres que les trois procédés décrits ci- dessus. La figure 4 représente encore une partie de la membrane, telle qu'elle peut être réalisée suivant l'un des procédés décrits ci-dessus Par opposition au textile dans lequel les fibres sont régulièrement entrelacées, il s'agit d'ici d'un matériau fibreux non tissé, dit "non woven" en langue anglaise Les fibres sont indiquées par la référence 20 L'agglutinant 21 se trouve aux endroits oa les fibres sont les plus proches les unes des autres, (c'est-à-dire se touchent ou s'entrecroisent à très faible distance) Entre ces en- droits se trouvent les pores 22 permettant de réaliser la perméabi- lité à l'air. I 1 est à remarquer que l'invention n'est nullement limitée à l'exemple de réalisation de la figure 1 L'invention à également traits à des transducteurs qui au point relatif à l'idée inventive, ne diffèrent pas de l'exemple de réalisation décrit. -13- REVENDICATIONS: 1 Transducteur électro-acoustique muni d'une membrane et de moyens de décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées de la courbe de réponse du transducteur, caracté- risé en ce que lesdits moyens de décalage vers des fréquences plus basses de la retombée en fréquences élevées comportent la mesure consistant à donner à la membrane sur toute sa surface un certain degré de perméabilité à l'air, le degré de perméabilité à l'air de la membrane étant tel qu'il se produise au moins un passage de 50 litres d'air par seconde et par mètre carré lors d'une différence de Pa ( = 200 N/m 2) entre les pressions d'air de part et d'autre de la membrane. 2 Transducteur électro-acoustique selon la revendication 1, muni d'une membrane plate, caractérisé en ce que le degré de perm 5 a- bilité à l'air est au moins à peu près uniforme sur toute la surface de la membrane. 3 Transducteur électro-acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, muni d'un bord souple fixé entre la circonfé- rence extérieure de la membrane d'une part et le châssis du trans- ducteur d'autre part, caractérisé en ce que le bord souple est éga- lement doté d'un certain degré de perméabilité à l'air, le degré de perméabilité à l'air d'une couche faite du matériau constituant le bord souple étant également tel qu'on obtienne au moins un passage de 50 litres d'air par seconde et par mètre carré pour une diffôren- ce de 200 Pa entre les pressions d'air de part et d'autre de la cou- che de ce matériau. 4 Transducteur électro-acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane est constituée par un textile ou un matériau non tissé renforcés par un agglutinant thermodurcissant ou thermoplastique.