Brevet FR2588710A1 — publié le 19870417

La présente invention concerne un transducteur électroacoustique omnidirectionnel, de forme sphérique, large bande, utilisant dans son principe ltionisation de l'air, et ne comportant aucune partie mécanique mobile. La forme sphérique du dispositif selon l'invention simule une source sonore parfaitement ponctuelle. La mise en mouvement de l'air ambiant suivant le signal électrique met en oeuvre le principe suivant: une série de pointes métalliques placées à proximité dtune contre-électrode aérodynamiquement transparente, sont portées à un potentiel électrique élevé par rapport à cette contre-électrode; la concentration des lignes du champ électrique au voisinage de l'extrémité de la pointe crée un phénomène d'ionisation locale de l'air; les ions ainsi créés, étant de maeme polarité que la pointe, sont repoussés par cette derniere, et atteignent la contre-électrode, à laquelle ils cèdent leurs charges électriques. 1l se produit ainsi un courant d'ions des pointeavers la contre-électrode. Les ions, en chemin heurtent les molécules d'air, leur communiquant tout ou partie de leur quantité de mouvement, ce qui crée un véritable vent; il y a également transfert des charges électriques entre les pointes et la contre-électrode, d'où existence d'un courant électrique pointes - contre-électrode; en modulant l'intensité de ce courant électrique par un dispositif électronique de commande, on module la pression aérodynamique du vent, cette dernière étant sensiblement proportionnelle à l'intensité du courant électrique, d'où création d'ondes sonores. Comme on peut le constater, la bande de fréquence sonore reproductible peut s'étendre du continu jusqu'à des fréquences aussi élevées qu'on le désire dans le domaine ultrasonore; les seules limitations sont en fait imposées par l'électronique de commande. Conformément à l'invention, les pointes sont portées à un potentiel négatif par rapport à la contre-électrode. En effet, dans ce cas, on crée des ions d'ozone, constitués de trois atomes dwoxygène, donc relativement lourds par rapport aux molécules neutres, d'où un bien meilleur transfert de la quantité de mouvement des ions aux molécules d'air, ce qui améliore grandement le rendement acoustique. Au contraire, des pointes positives ionisent les atomes d'azote, et les ions ainsi obtenus sont plus mobiles, bousculent les molécules neutres avec un mauvais transfert de quantité de mouvement, dloù un vent peut-être plus intense, mais plus bruyant, et un rendement acoustique nettement plus faible. En fait, ce vent, que l'on peut considérer comme étant la composante continue des ondes sonore s, étant nécessairement bruyant, on a avantage à l'éliminer en plaçant de part et d'autre des pointes, et symétriquement, deux contre-électrodes portées au même potentiel électrique en l'absence de signal. Le courant ionique issu des pointes se sépare donc en deux courants opposés et de même intensité, dont les effets mécanique sur les molécules d'air s'annulent à l'échelle macroscopique; pour reproduire un signal sonore, il suffit donc de faire varier le potentiel des contre-électrodes l'une par rapport à l'autre, la dissymétrie ainsi créée engendrant des ondes de pression sonore. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente le dispositif de base à une seule pointe, illustrant le principe de fonctionnement; la figure 2 représente une pointe, à échelle agrandie, illustrant le phénomène d'ionisation à l'extrémité de ladite pointe; la figure 3 représente une pointe, à échelle agrandie, dans un agencement conforme à l'invention; la figure 4 représente une vue schématique en coupe d'un transducteur selon l'invention; la figure 5 représente une vue schématique en plan d'un groupe de cellules élémentaires de haut-parleur; la figure 6 représente une vue en coupe de la figure 5; la figure 7 représente un schéma synoptique du circuit de commande du transducteur. Sur ces dessins, les mantes références désignent les mêmes éléments. En se référant aux figures 1 à 3, une pointe 1 est associée à deux contre-électrodes 2. Même en utilisant la configuration de la figure 1, au départ de la pointe 1 les ions sont repoussés suivant la direction de cette dernière selon une zone 3 d'ionisation, avec des tourbillons 4 ainsi engendrés. On a donc avantage à encastrer les pointes 1 dans le corps 5 du dispositif, ne laissant dépasser que leurs extrémités entre les contre-électrodes 2, afin de supprimer en grande partie ces tourbillons, générateurs de bruit, comme représenté sur la figure 3. Les contre-électrodes 2 sont aussi encastrées dans le corps 5 du dispositif, améliorant ainsi leur rigidité mécanique. Avantageusement, afin d'éviter des phénomènes de flashage entre pointes et contre-électrodes, et afin d'obtenir une bonne répartition du courant entre les différentes pointes, il convient d'insérer en série avec chaque pointe une résistance électrique de forte valeur, par exemple d'environ 60 mégohms. En se référant à la figure 4, un haut-parleur selon l'in- vention est en forme de coque sphérique 6, ayant un diamètre d'environ 60 cm. Un ensemble en forme de corolles 7, en matière acoustiquement inerte, est destiné à recueillir l'onde interne émise par le haut-parleur, et la guider vers un tuyau acoustique coaxial 8, lequel se termine par un pavillon évasé 9 destiné à éviter tout phé nomène de résonnance et de retour de tonde ainsi captée vers le haut-parleur. Une chambre sourde 10, tapissée de matériaux absorbant acoustique du genre feutre et mise à l'air libre par un évent, a pour but d'annihiler cette onde interne. Le tuyau acoustique 8, lui aussi fabriqué en un matériau inerte sur le plan vibratoire, forme piédestal. En se référant aux figures 4 à 6, la coque 6 est percée de multiples trous 12 en quinconce, chaque trou constituant une cellule élémentaire de haut-parleur. Ces trous sont taillés en forme de tuyères 13 définissant des corps intermédiaires sensiblement symétriques 14, afin de supprimer tout phénomène de rupture d'impédance acoustique à leurs extrémités, et de rendre l'écoulement aérodynamique laminaire sur de fortes élongations en très basse fréquence. Chaque cellule comporte trois pointes 15 disposées en triangle, dont seule l'extrémité pointue fait saillie dans la tuyère 13. Le plan des pointes 15 est constitué d'un réseau électrique noyé dans le corps du dispositif, et alimentant électriquement chaque pointe par l'intermédiaire de pattes résistantes, elles aussi noyées dans la structure. Les contre-électrodes métalliques 2 affleurent à la surface des corps 14, pour permettre le passage du courant électrique. En outre, des électrodes 16 de blindage électrostatique sont entièrement noyées dans la structure 14, et leur but sera expliqué ci-après. A titre dtexemple, on peut réaliser un transducteur selon l'invention avec les dimensions suivantes: épaisseur de la coque 6: environ 2 cm; diamètre interne des trous 12: 5 mu; diamètre externe des mêmes trous: 8 mm; distance entre centres des trous: 13,7 mm environ; distance du plan des pointes au plan des contre-électrodes: 4 mm, et du plan des pointes 15 aux blindages 16s îmm. Le schéma du circuit de commande est représentée sur la figure 7, une seule pointe 15 étant représentée, avec les électrodes de blindage 16 et les contre-électrodes 2. Le signal dtentrée 17 est appliqué sur un comparateur de tension 18 lequel compare le signal 17 aux tensions aux bornes des deux résistances R1 et R2, lesquelles tensions sont proportionnelles aux courant In et I2 les traversant. Le comparateur commande deux amplificateurs 19 et 20, qui uGissont sur les contre-électrodes 2, en commande diff6ronti cli o; chaque amplificateur 19-20 est relié à une source indépendante de haute tension (environ 10000 volts), HT1 et HT2 pour 20 et 19. Il stflgit donc bien îa d'une commande en courant, et non en tension, ce qui procure des distorsions très faibles, ptlisqlle la preusion arodynartiique est proportionnelle a l'intensité du courant ionique. Lorsque les potentiels des contre-électrodes 2 varient l'un par rapport à l'autre, il se crée un courant de charge (ou décharge) de la capacité parasite entre ces contre-électrodes, lequel courant se superpose à celui des pointes, et sera donc lu par le comparateur 18 à travers les résistances R1 et R2; or, ce courant n'engendrant aucune onde sonore pertubera le fonctionnement du dispositif; d'où l'existence des électrodes de blindage électrostatique 16, chacune rebouclée électriquement sur le circuit de la contre-électrode 2 se situant du même côté par rapport aux pointes; ces électrodes de blindage 16 seront néanmoins suffisamment transparente sur le plan électrostatique pour qu'il y ait existence d'un champ électrique entre les pointes 15 et les contre-électrodes 2. L'existence des deux sources distinctes de haute tension HT1 et HT2 se justifie pour des raisons de rebouclage de courant à travers R1 et R2, chacune de ces résistances mesurant alors seulement le courant qui lui est destiné. Il sera avantageux que le système maintienne constant la somme des courants I1 et I2; dsautre part, il y a lieu de noter que les pointes sont à un potentiel fixe (environ + 30 volts) par rapport à la masse, et que si l'on maintient les entrées 21 et 22 des amplificateurs respectifs 19 et 20 9 un potentiel constant, la différence de potentiel entre les pointes et les électrodes de blindage sera constant, ce qui n'engendrera aucun courant perturbateur causé par la charge (ou décharge) de la capacité entre pointes et blindages. Le dispositif selon leinvention peut comporter environ 50000 pointes; la puissance électrique est d'environ 1,5 kilowatt, ce qui, compte tenu d'un rendement acoustique prévu de l'ordre de 4 '5, donne une puissance acoustique d'environ 60 watts, soit, puisque l'onde est sphérique, un niveau sonore de 126 dD à un mètre du centre do la sphère. Naturellement, ces chiffres sont donnés à titre indicatif, dépendant essentiellement de l'électronique utilisé, et surtout de la puissance de l'alimentation haute tension. REVENDICATIONS 1. - Transducteur électroacoustique, de forme sphérique simulant une source sonore ponctuelle, large bande, dont le fonctionnement est basé sur le principe de la modulation d'un vent créné par l'interaction mécanique de l'air avec des ions générés par des pointes métalliques portées à un potentiel électrique élevé par rapport à une contre-électrode, caractérisé par le fait que chaque cellule élémentaire de haut-parleur (12) comprend deux contre-électrodes (2) placées symétriquement par rapport à la pointe (1,15), moyennant quoi le courant d'ions issu de cette dernière se sépare en deux courants de directions opposées, annulant leurs efiets mécaniques en l'absence de signal, chaque pointe étant en outre séparée de ces contre-électrodes par un blindage (16). 2.- Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les pointes (15) sont disposées au milieu de petits trous (12) en forme de tuyères (13), encastrées dans le corps de l'appareil et ne laissant apparaitre que leurs extrémités. f.- Transducteur selon lune des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la coque sphérique (6) constituant le corps est percée d'une multitude de trous (12) en quinconce, chacun constituant un haut-parleur élémentaire, au centre duquel sont placées les pointes (15), en forme de tuyère évasée (13) aux deux extré- mités afin de supprimer tout effet de rupture d'impédance acoustique à leurs extrémités, et de laminariser l'écoulement de l'air sur les grandes élongations. 4.- Transducteur selon lune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le rait que l'ntérieur de la coque sphérique (b) est muni d'un ensemble de corolles (7) destinées à recueillir l'onde interne, puis à la guider par l'intermédiaire d'un conduit (ti) en forme de p.v111on punir réduire les phénomène riz résonnances fP une cavité, équivalente A une chambre sourde (10), destinée à annihiler cette onde interne. 5.- Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que chaque pointe est montée en série avec une résistance électrique de forte valeur, afin d'éliminer les fla shages et de contribuer à une bonne répartition du courant entre chaque pointe. 6.- Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le circuit de commande électronique est agencé de manière à faire varier en différentiel le potentiel des contre-électrodes, de telle sorte que la différence des intensités des courants entre le Jeu des pointes et chaque contre-électrode soit proportionnelle au signal rentrée, la pression aérodynamique étant elle-même proportionnelle à intensité du courant ionique. 7.- Transducteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que deux électrodes de blindage sont noyées dans le corps du dis--- positif, chacune étant placée entre le Jeu de pointes et l'une des contre-électrodes, de façon que la mesure de ltintensité du courant ionique par les résistances de contre-réaction ne soit pas perturbée par la présence de courant électrique de charge et décharge de la capacité parasite entre le Jeu des pointes et les contre-électrodes.