Brevet FR2555007A1 — publié le 19850517

Haut-parleur à haut rendement et à grande puissance admissible. Cette invention concerne les haut parleurs. I1 s'agit d'un baut-parleur à ruban, à transformation de vitesse destiné à produire un très fort niveau acoustique tout en conservant les propriétés des rubans classiques, à savoir - réponse élevée en fréquence. - bonne linearité. soit une très bonne réponse impulsionnelle. Description d'un haut-parleur à ruban conventionnel. Ce type de haut-parleur fonctionne comme un haut-parleur électro dynamique où membrane et bobine mobile ne font qu'un ; le ruban est disposé à plat entre deux pièces polaires, sa surface de rayonnement le condamne à la reproduction des fréquences élevées. Le rendement est fonction de la surface du ruban et du champ magnétique régnant dans l'entrefer. Celui-ci est généralement large, de l'ordre de 8 à 10 mm pour la majorité des modèles. Sans quantifier, signalons des rendements constatés de 86 dB à 92 dB pour 1 watt à 1 mètre, dans leur bande de fonctionnement et souvent avec utilisation d'un pavillon de couplage. Sur certains modèles récents, comme le PTR 7 de PIONNER, nous obtenons 95 dB/w/m avec une puissance admissible de 30 watts. La bande passante s'étend de dans 2 dB. Des rendements supérieurs pourraient être obtenus grace à une adaptation d'impédance à 1 air par 1 emploi de pavillon, mais alors nous ajoutons à ces remarquables transducteurs les défauts inhérents aux pavillons. I1 n'existe pas à l'heure actuelle de transducteur de la qualité des rubans pouvant rivaliser en niveau acoustique avec les meilleures chambres de compression ( 110 dB/w/mètre pouvant démarrer autour de 500 3 , pression mesurée avec un pavillon ). Notons que ces chambres de compression supportent 40 watts avec une bande s'étendant de 500 H3 à 15 kHz , exemple 288-86 ALTEC avec une membrane aluminium, ou une centaine de watts pour des modèles dont la bande s'arrète à équipées de membranes phenoliques. Exposé de l'invention I1 s'agit d'un haut-parleur à ruban dont les caractéristiques sont les suivantes - rendement : 106 dB à 110 dB pour 1 watt à 1 mètre suivant les modèles; des rendements différents ont été obtenus suivant les bandes de fréquence reproduites. - puissance admissible : 200 à 300 watts, - linearité : quelque soit la bande reproduite, nous obtenons une ondulation de # 2 dB. - réponse impulsionnelle équivalente à celle des meilleurs hautparleurs à ruban actuels. - directivité horizontale : 360 - directivité verticale équivalente à la directivité horizontale des rubans traditionnels ( diagrammes polaires ). - bande passante : pour deux modèles, exemple: 500 à d 20 kH3 dans 2 dB à t3 à 80 t% dans 2 dB Description de l'invention: I1 s'agit d'un ruba4plissé en accordéon, autour de plotsfjlen aluminium, isolés,disposés dans un entrefer circulaire réalisé grace à une configuration particulière des pièces polaires. Le remplissage optinum de l'entrefer et le mode de fonctionnement des surfaces de ruban face à face procurent ce rendement et cette tenue en puissance élevés. Sur la partie arrière de ces plis disposés sur 360- se trouve un dispositif d'amortissement par viscosité (4) procurant la linéarité cherchée. Ce haut-parleur est caractérisé par l'assemblage de ces trois éléments - pièces polaires - disposition du ruban - amortissement par viscosité. Présentation des dessins. - aspect général - vue de la disposition du ruban ( vue de dessus ) - coupe verticale. Exposé détaillé. Tout d'abord quelques chiffres obtenus par mesure sur notre modèle d'essais. - chiffres procurant une bonne corrélation avec les résultats théoriques - avec un ruban en aluminium de 8/1000 de n. - rendement de 108 dB/watt/l mètre en bruit rose borné de @@Hz à 20kHz - puissance admissible 35 A/0,20JL soit 245 watts. avec 15 A nous obtenons 125 dB Spl sur ce modèle. Le niveau acoustique de 132 dB Spl peut etre atteint de façon continue, 1). Le ruban placé en accordéon autour des plots en aluminium isolés grace aux supportonne onne comme un transformateur de vitesse. Cet accordéon remplit 1 entrefer circulaire en offrant un remplissage optimum. Les positions de ruban vont s'écarter et se rapprocher, fonctionnement équivalent à celui d'une membrane à l'intérieur d'une chambre de compression. Les calculs sont semblables à savoir de façon simple soit e l'épaisseur normale de nos deux membranes et l'abcisse. Les L deux membranes allant l'une vers l'autre à l'instant nous avons une épaisseur de e - x , et e + x pour l'instant où les deux membranes s'écartent. La pression règne dans la cavité et l'impédance est offerte à l'air dans la sections S1 La vitesse U1 à l'entrée de S1 va etre donnons à nos deux membranes la vitesse dts f fonction harmonique du db temps à la pulsation bJ ) et voyons quelle est la vitesse qui en résulte au plan S1 Pour cela, calculons ?k , excès de pression sur la pression atmosphérique, positif ou négatif ( e + x, et e - x ) qui règne entre les deux membranes. A la vitesse A correspond un débit en volume de de sorte que le volume offert à la masse d'air qui était à l'origine Se est maintenant de x. cas où les deux membranes se sont rapprochées La loi adiabatique, nous donne: En multipliant par j# nous allons faire apparaitre dx dt Aux très faibles fréquences le terme imaginaire est négligeable et il vient c'est la vitesse que par continuité prendrait un fluide incompressible pour passer par Si Lorsque la fréquence augmente le terme imaginaire devient prépondérant et la vitesse tend à devenir une fraction de plus en plus petite de Cette configuration va réaliser une véritable coupure vers les tèrs hautes fréquences. Nous nous trouvons devant le meme système de transformation de vitesse que la chambre de compression. La limitation vers les basses fréquences sera due à l'épaisseur e. Amortissement par viscosité. soit une fente fine d'épaisseur e, de longueur 1 et h sa largeur. L'air traversant la fente doit supporter une perte de charge possédant les qualités voulues pour amortir le mouvement du ruban. Considérons la tranche v et s + dv. la vitesse v varie en fonction de y et le gradien ,txne se ra pas le même sur la face supérieure et sur la face inférieure de cette tranche. Nous devons trouver une distribution des vitesses W de telle sorte à avoir u- o sur les parois pour y = + . Soit une courbe ayant l'allure de la figure. Sur la face y animée du mouvement le plus rapide le fluide de la tranche dy se voit entrainé par une tension valant alors qu'il est retenu sur la face supérieure par uneten sic La force résultante par Lnb de surface latérale de la tranche dy est donc force qui tend à retenir le fluide. Soit 1 la longueur de la fente et h sa largeur. P4 et P2 pressions à l'entrée et à la sortie l'équilibre des forces appliquées à la tranche impose est une constante indépendante de y donc la distribution des vitesses est parabolique. Soit les conditions aux limites donc la loi de distribution des vitesses est de la forme par identification, nous avons et nous avons la distribution des vitesses en fonction de Pt la vitesse moyenne donc entre la perte de charge P, - PL et le débit nous avons la relation résultat pour un régime permanent et valable pour des forces d'inertie négligeables devant les tensions visqueuses. Soit une bouche de ruban, m la masse mobile, k la raideur, S la surface active. SP excès de pression qui règne à l'intérieur de l appareil et la pression imposée h I1 vient Evaluons $P. Le volume V vaut à chaque instant Vo + Sx L air ne peut entrer dans v que par les fentes de section offerte totale de s he. La vitesse IL étant comptée > o quand l'air s'échappe du volume ; sous 1 action d'une pression P positive. La masse d'air sera La densité de l'air dans le volume V sera: S? est liée aux variations de densité par l'équation adiabatique. dsoù l'expression de SP en fonction de w Le mouvement de la membrane est donc régi par le systme des deux équations A et B Changeons le signe de 5P et dérivons B par rapport au temps et posons Nous voulons déterminer la réponse de l'appareil, en amplitude, en fonction de la fréquence. Le plus simple est de chercher la phase que possède #P par rapport à x afin d'observer quel degré d'amortisse- ment g va amener. Soit une variation sinusoidale de nous avons: B peut se réoudre par rapport à SE soit soit deux termes, un réel, l'autre imaginaire, Le premier est en phase avec c'est le terme que nous cherchons. Le second est en phase avec avec W air et #P s'écrit soit avec donc Replacé dans C, nous avons Si # est grand : la viscosité freine complètement le mouvement rapide de l'air dans les fentes. Et c'est comme si le volume v était fermé et à la dureté K de la membrane s'ajoute provenant de 1 élasticité de 1 air du volume d. Le terme de frottement en Si # est très faible, l'air va circuler dans les fentes. L'air peut s'évacuer de telle sorte que la pression dans ne varie pas sensiblement et le terme de rappel élastique supplémentaire du à 1 air de la cavité Vo disparait. AUK basses fréquences, ce débit s'accompagne d'un frottement à peu près constant. Le coefficient t pour #@o vaut dans notre cas, soit 2 cm de membrane de 1 loo d'épaisseur en duralumin; nous obtenons une masse de 0,0054 g Si l'on veut avoir un terme de frottement l'emportant beaucoup sur le terme d'inertie jusque vers les fréquences élevées nous désirons soit S - 2 cm > prenons une fréquence aigue de 20.000 Hz nous avons soit e : 0,02 cm prenons h de la hauteur du ruban, soit 1 cm et nous obtenons vLa soit un filtre très réalisable. Il faut maintenant régler Vo assez petit pour que # soit toujours négligeable devant soit les filtres placés justes à l'intérieur des plis moyennant quoi notre appareil est tellement amorti qu'il est entièrement controlé par 96 frottement et la loi de mouvement va etre soit amplitude constante en fonction de la fréquence jusqu'à notre fréquence limite soit 20.000 dz. Industrialisation Notre première fabrication expérimentale fait apparaitre un apparei simple à mettre en oeuvre et nos premiers résultats très encourageants. Les pièces polaires sont simples et si sur notre modèle le champ magnétique était produit par un électro aimant t il est très simple de le remplacer par un aimant. Les pièces supportant le ruban que nous avons usinées sont simples à réaliser par injection. Le montage du ruban aisé, la mise au point inexistante. Si nous obtenons un brevet d'invention, nous ferons paraitre une étude théorique approfondie. à savoir - schéma équivalent de ensemble. - influences et optimisation des écarts de plots, des surfaces et de masse du ruban en fonction des bandes de fréquence à reproduir en imposant un rendement maximum. Les cibles commerciales : sonorisation (plein air, théatres, cinéma, salles de spectacle .... ) haute fidélité, haut de gamme pour des appareil. optimisés et haute fidélité grand public car un appareil simplifié serait d'un prix très bas. émissions d'ultra sons à fort niveau pour l'industrie. Notons que meme l'appareil optimisé reste simple, à savoir moins difficile à réaliser qu'une bonne chambre de compression et de résultats supérieurs sur tous les paramètres. I1 resterait à fabriquer un appareil pouvant se coupler avec un pavillon pour régler les problèmes de directivité imposés par la sonorisation de salle. Cet appareil devrait donc, quelque soit les différentes versions etre fabriqué en grande série en vue de marchés nationaux, mais surtout à l'exportation. REVENDICA'l'lONS 1) Haut-parleur à ruban (7), plissé en accordéon, autour de plots isolés (3) disposés sur deux circonférences concentriques cernant un entrefer circulaire. Ce haut-parleur est caractérisé par le remplissage optimum de l'entrefer et le mode de fonctionnement des surfaces de ruban face à face, en transformateur de vitesse, qui procurent à ce système un très haut rendement ainsi qu'une très forte puissance admissible. Le dispositif associé indispensable est constitué par le système (4) d'amortissement par viscosité conférant la linéarité de ensemble. 2) haut-parleur selon la revendication 1 caractérisé par son rayonnement sur 3600 grâce à la forme de ses pièces polaires circulaires ( 1,5,) 3) haut-parleur selon la revendication 2 caractérisé par la disposition du ruban t71 en plis autour de plots isolés (3) fonctionnant en transformateur de vitesse. 4) haut-parleur selon la revendication 3 caractérisé par son système d'amortissement à viscosité (4).