Brevet FR2605480A1 — publié le 19880422

À1 2605480 "Procédé de fractionnement de la restitution sonore de signaux modulés dans des transducteurs montés en paral- lèle, et jeux de transducteurs correspondants". L'invention a pour objet un procédé permettant de restituer sélectivement un signal sonore fourni par une source électrique dans plusieurs trans- ducteurs montés en parallèle, chaque transducteur étant spécialisé pour la restitution d'un intervalle de fré- quence du spectre du signal. Le procédé consiste plus précisément à fractionner en fréquence à tout instant le signal sonore pour affecter chaque composante au transducteur optimisé pour l'intervalle de fré- quence correspondant, sans utiliser de circuit addition- nel de sélection tels que les circuits de filtrage ou autres. L'invention a également pour objet tousjeux de transducteursassociés permettant la mise en oeuvre du procédé. En matière de restitution de signaux audibles par transducteursélectroacoustiques, notamment les transducteurs formés d'au moins un hautparleur couple à une charge acoustique, par exemple une enceinte résonnante, il est toujours avantageux d'utiliser plusieurs haut-parleurs, spécialisé chacun pour la restitution d'une bande du spectre sonore. En effet, la restitution d'un signal sonore audible dans la gamme maximale de 20 Hz à 20000 Hz par exemple, im- plique que le haut-parleur satisfasse à des caractéris- tiques contradictoires de temps de réponse et de dépla- cement de la partie mobile,qui varient d'une extrémité à l'autre du spectre sonore. La décomposition du spectre en plusieurs bandes permet d'éviter un affaiblissemient des composantes du spectre situées aux extrêmes. D'une manière générale, dans les systèmes à haute fidélité, on prévoit trois voix paral- lèles correspondant aucgrave4 auxmediumset auxaigus. Les techniques mises en oeuvre jusqu'à présent pour l'obtention du fractionnement des fréquences reposent sur la conception et la réalisation des trans- ducteurs d'une part, et le traitement du signal électri- que en amont du transducteur. On connaît notamment les techniques consistant à: - simplement exploiter les effets de limitation des fréquences résultant des caractéristiques intrinsèques des modes de construction particuliers des transducteurs (exemple: certains des hautparleurs dits "booners"); - l'adjonction de circuits spéciaux en amont du transducteur, tels que les circuits de filtrage, actifs ou passifs; l'association aux haut-parleurs de charges acoustiques introduisant un facteur de sélecti- vité. Or, ces procédés connus comportent notamment trois tires cd'incor.vénients majeurs qui nuisent au rendement des trans- ducteurs électro-acoustiques et, ipar voie de conséquence, à la qualité de restitution du signal sonore. Tout d'abord l'utilisation de circuits de filtrage entraîne des pertes de puissance du signal qu'il faut compenser par un surcroft d'amplification. Ceci nuit donc au rendement global de l'installation, et implique l'utilisation de composants travaillant à plus grande puissance, avec des exigences accrues de qualité pour éviter la distorsion. De plus, les filtres eux-mêmes sont un facteur de distorsion du signal, du fait de l'impossibilité de leur conférer une fonction de transfert parfaitement linéaire dans leur bande pas- sante. Les filtres sont en outre sujets à des variations de leur caractéristique de réponse en fonction de la température ambiante, ou même de leur vieillissement. En second lieu, les règles implicites adoptées jusqu'à présent en matière de restitution des signaux sonores en haute fidélité ont conduit à orienter 3 2605480 la conception des enceintes électro-acoustiques dans une direction qui obère de plus en plus leur rendement. En effet, le rendement n d'un haut- parleur électrodynamique s'exprime sous la forme: 8Ri(p/27v)(Bl) 2 - (1) (M/S) 2 (Ze+Ri) 2 avec B induction dans la bobine, M masse dynamique totale du système mobile, S section du piston, Ze impédance électrique de la bobine mobile, 1 longueur totale du fil constituant la bobine mobile, v vitesse de déplacement de la membrane, p masse volumique de la membrane, R. impédance interne de la source. L'interprétation de ce résultat théorique reste toujours difficile, du fait que certaines conditions restent contradictoires. On peut dire pour simplifier qu'on a jusqu'y présent quasi-uranifmleent fait le choix de maxiriser le produit Bl, en ternant le raisornnenrt que la valeur de ce produit varie dans le même sens que le rendement, et que son aug- mentation se traduit par un amortissement élevé favora- ble à une bonne réponse en régime transitoire. Or, la maximisation du produit Bl n'est pas neutre vis à vis de l'impédance électrique Z e de la bobine mobile, qui elle,influe défavorablement sur le rendement. Cette impédance est en effet liée à la lon- gueur du fil 1. En outre, particulièrement dans le domaine des basses fréquences, les conditions d'utilisa- tion des haut-parleurs conduisent à prévoir que pour certaines fréquences l'équipage mobile du haut-parleur se déplace sur une distance relativement grande, ce qui augmente la longueur de la bobine mobile, et donc indirectement son impédance Ze 4 2605480 Le troisième type d'inconvénients in- hérent aux systèmes existants est relatif à la courbe de réponse des ensembles "enceinte + haut-parleur"' actuellé- ment réalisés. La forme tvDiaue de cette courbe de réponse est représentée en figure 1, courbe A. On constate qu'à partir de 50Hz le niveau de restitution des fréquences est naturellement accidenté avant de se stabiliser ap- proximativement au-dessus de 100Hz. Jusqu'à présent, les moyens de correction utilisés pour linéariser cette courbe de réponse consistent généralement à jouer sur les carac- téristiques de l'évent ou autre, à amortir fortement les phénomènes acoustiques parasites de l'enceinte, par exemple par bourrage de ses parois internes à l'aide d'un matériau "d'étouffement" (laine de verre), ou encore à jouer sur les paramètres du haut-parleur (notamment QTS et VAS selon les procédés de Thiele et Small). Or on constate par la courbe B de réponse du transducteur obtenue, que ces techniques connuesabaissent, au moins pour les fréquences basses, le niveau de la puissance sonore restituée par le transducteur: cet affaiblissement atteint plus de 5 dB ce qui est considerable. La linéarisation de la courbe de répcese du haut-parleur, selon ces techniques, conduit donc à diminuer fortement le rendement de l'ensemble haut-parleur et enceinte, avec les incon- vénients correspondants déjà mentionnés ci-dessus. L'objectif de la présente invention est de pallier ces différents inconvénients des dispositifs existants. Plus précisément, un premier objet de l'in- vention est de fournir un procédé de fractionnement d'un signal acoustique entre plusieurs transducteurs, sans aucun circuit ni au- cune charge additionnelle, et donc pour un coût réduit et une fiabi- lité accrue. Un second objet de l'invention est de fournir un tel procédé qui permette d'optimiser l'emploi de chaque transducteur enn'enlui faisant restituer que les composantes du signal sonore se trouvant à l'intérieur d'une gamme de fréquence donnée o il dissipe une puissance minimale. Cette zone optimale de fonctionnement correspond également notamment à un déplacement minimal de l'équipage mobile de chaque haut-parleur, et de façon relativement homogène sur toute sa gamme de fréquence de travail (Fig. 3). Un objet complémentaire de l'invention est de fournir un procédé de choix des différents trans- ducteurs montés en parallèle d'un jeu donné de restitution d'un signal sonore, afin que chacun d'eux travaille ef- fectivement de manière optimale. Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints à l'aide d'un procédé de restitution sonore de signaux électriques par transducteurs électro-acoustiques, notamment du type formés d'au rmins un haut-parleur monté dans enceinte résonnante et destinés à être branches en sortie d'une source électrique, ce procédé consistant à brancher au moins deux transduc- teurs en parallèle sur ladite source, sans nécessité d'u- tilisation de filtres de selection ou de correction additionnels le choix des transducteurs ainsi couplés étant réalisé de façon à faire travailler chacun sélectivement dans un intervalle de fréquence donné, les intervalles de fréquence de travail des transducteurs étant juxtaposés de manière à couvrir la gamme totale du signal sonore à restituer et chaque composante dudit signal étant sélectivement restituée pour l'essentiel en fonction de sa fréquence (f) dans le transducteur travaillant dans l'intervalle de fréquence cor- respondant du fait qu'il y présente une impédance minimale. De façon avantageuse, le haut- parleur et l'enceinte résonnante sont choisis pour chaque trans- ducteur de façon que l'intervalle de fréquence de travail affecté à ce transducteur corresponde à une zone d'impé- dance minimale pour ce transducteur par rapport à l'impédance offerte par les autres transducteurs sur t le même intervalle, le jeu complet des transducteurs con- nectés en parallèle à la source étant constitué d'au moins deux transducteurs dont les zones respectives d'impédance minimale sont juxtaposées en fréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'inven- tion donné à titre non limitatif et des dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 représente la courbe de réponse typique d'une enceinte résonnante munie d'un haut- parleur, sans correction (courbe A)et avec correction par techniques connues (courbe B); - la fig. 2 représente la variation de l'impédance cinétique d'un transducteur (HP + enceinte) pour illustrer le phénomène de surcouplage entre le HP et l'enceinte (zone A) exploité par l'invention; la fig. 3 illustre le déplacement de l'équipage mobile du haut-parleur monté dans son en- ceinte en fonction de la fréquence, en correspondance avec la fig. 2; - la fig. 4 schématise un jeu de deux transducteurs montés en parallèle, pour la reproduction de la voie basse d'un signal sonore; - la fig. 5 illustre le choix des dif- férents transducteurs composant un jeu complet de restitu- tion d'un spectre sonore suivant l'invention, en fonction de leurs zones optimales de fonctionnement respectives; - la fig. 6 illustre les niveaux de restitution du signal sonore en sortie de chacun des trans- ducteurs d'un jeu complet de transducteurs suivant l'inven- tion. Le principe de fractionnementde l'inven- tion repose sur l'idée nouvelle de spécialiser le fonction- nement de chaque transducteur.dans une plage limitéedu spectre de fréquence, pour laquelle d'une part la fidé- lité de restitution sonore est la plus élevée dans le transducteur considéré, et d'autre part, l'aiguillage des fréquences s'effectue automatiquement vers chaque transducteur. Ce procédé est atteint lorsque deux conditions sont remplies: - tout d'abord, chaque transducteur doit présenter une zone d'impédance minimale sur l'éten- due B du spectre total du signal sonore à restituer. Dans les fréquences basses, la composante significative de l'impédance B est l'impédance cinétique gem. Cette impédance cinétique est lié au déplacement de l'équi- page mobile du haut-parleur monté dans son enceinte. L'invention consiste à choisir le haut-parleur et son enceinte de façon à provoquer un fort surcouplage accoustique entre le haut-parleur et l'enceinte. Ceci est notamment réalisé en couplant un HP et une enceinte de fréquences de résonance identiques:ou voisines. On observe alors une zone A de forte diminution de l'impédance cinétique Hem, (fig. 2) pour une gamme de fréquence dans laquelle le déplacement de l'équipage mo- bile du HP monté dans son enceinte est minimal (fig. 3). Du fait de la prépondérance de eem, la zone d'impédance 8 minimale du transducteur correspond approximativement à la zone A de la fig 2. Selon l'invention cette zone A sera choisie pour la définition de la gamme de fréquence affectée au transducteur correspondant. Le procédé selon l'invention s'appli- que préférentiellement aux fréquences basses, du fait du r8ôle particulier joué par êem. Mais il est clair que tout moyen permettant d'obtenir une zone d'impédance B mini- male autour d'une fréquence quelconque reste dans le cadre de l'invention. Cette condition ne s'accompagne en outre d'aucune autre exigence en ce qui concerne la ré- gularité de la courbe de réponse du transducteur (haut- parleur + enceinte) pourvu que la zone A d'impédance mi- nimale se distingue clairement. - la seconde condition est que les dif- férents transducteurs connectés en parallèle en sortie de la source électrique de modulation présentent des zones A d'impédance minimale qui soient compatibles.Cette condition est illustrée en fig. 5, o l'on a représenté la façon dont s'effectue le fractionnement du spectre de fréquence compris entre F1 et FA en trois plages de fractionnement de trois transducteurs interconnectés, en fonction de leur zone d'impédance i minimale. En effet, le fait que, pour chaque composante de fréquence f du signal à restituer, il existe un haut-parleur dont l'impédance i à cette fré- quence soit minimale par rapport aux autres haut-parleurs montés directement en parallèle, a pour conséquence que cette composante va être préférentiellement restituée dans ce haut-parleur. Plus précisément, le transducteur considéré va prélever une fraction prépondérante de cou- rant I, et donc consommer une fraction prépondérante de la puissance P fournie par la source électrique: T -- = Re (1/T fO SI2({t).dt) (2) avec: puissance moyenne consommée, Re (...) partie réelle de... T période du signal Afin que cette sélection automatique des fréquences s'ef- fectue sur toute l'étenduedu spectre sonore à restituer, il est nécessaire qu'à nouveau, deux conditions soient remplies: - les plages F1- F2, F2F3; F3- F4de fréquence de travail des transducteurs parallélisés 9 2605480 T1,2, T2,3, T3,4 respectivement, doivent être juxta- posées pour couvrir l'ensemble du spectre F1 - F4 du signal sonore à restituer, sans affaiblissement préjudi- ciable d'une fréquence quelconque du signal; - pour permettre la selectivité, il faut en outre que le transducteur affecté à chaque inter- valle de fréquence présente une impédance i plus faible que l'impédance offerte dans cette même gamme par tous les autres transducteurs du jeu complet de transducteurs suivant l'invention. De façon avantageuse, l'intervalle de fréquence F1-F2, F2-F3,F3-F4 dévolu à chaque transduc- teur T1 2; T23; T34 est approximativement centré au- 1 212 3f3,4 tour de la fréquence pour laquelle il présente une impé- dance i minimale. L'invention a été réalisée sur un pro- totype dans lequel quatre enceintes munies chacune d'un haut-par- leur ont été montées directement en parallèle à la sortie d'une source de modulation unique. Les transducteurs ont été choisis de façon à reproduire sélectivement les bandes de fréquence respectives suivantes: 31 à. 40 Hz; 40 à 60 Hz; 60 à 85 Hz; 85 à 120 Hz. Chacun des transducteurs était cons- titué par un haut-parleur du type électrodynamique, couplé à une cavité résonnante de Helmholtz, de façon que pour chaque ensemble, la fréquence de résonance du haut-parleur et celle de la..cavité résonnante soient identiques ou voisines. La valeur de cette fréquence de réso- nance a été choisie, pour chaque transducteur, dans la zone centraB de la bande de fréquence qui lui était af- fectée. Le tableau suivant reproduit les ca- ractéristiques de chacun des haut-parleurs et de la cavité correspondante: TRANSDUCTEURS CAVITE Résonance Bande Volume Event sans col (Hz) reproduite (litres) surface (dm2) (Hz) N I 35 31 à 40 240 1,3 N 2 48 40 à 60 130 1,4 N 3 75 60 à 85 75 1,4 N 4 105 85 à 120 25 1,5 Bien entendu, le nombre de transdacteurs i1ont cn parallèle ne constitue pas une limitation de l'invention. D' une faorn avantageuse, toutefois, l'invention trouve une application préférentielle pour la restitution des fréquences basses, inférieures à 150 Hz. En effet, c'est dans cette gamme de fréquence que l'on rencontre le plus de problèmes en haute fidélité, particulièrement pour la restitution d'un signal à haute puissance. A cet égard, le procédé selon l'invention qui permet d'améliorer le rendement des systèmes électro-acoustiques, et spécialise chaque transducteur dans une plage de fréquence o il présente une impé- dance minimale, fournit une solution optimale à ces problèmes. L'invention a pour avantage de ne plus nécessiter l'utilisation de dispositifs additionnels de filtrage ou de correc- tion pour le fractionnerent en fréquence du signal à restituer dans les différents transducteurs de sortie. Toutefois, il est clair que dans certaines applications, on pourra utiliser le procédé de l'in- vention en cooperation avec aes aispoisuifs là-. iltraae de oDrrecti.on électriques ou acoustiques. Il est également possible d'utiliser plusieurs amplificateurs de puissance en coopéeration avec un mnre jeu de transducteurs suivant l'invention, les amplificateurs travaillant soit sur la toetalité de la game de fréquence des signaux à reproduire, soit sélectivement sur une partie seulement de cette gamme. Un même amplificateur peut alimenter un seul transducteur ou encore plusieurs transducteurs du jeu de transducteurs considéré. En outre, les dispo- sitifs additionnels de filtrage ou de correction peuvent être soit insérés dans, soit constitués par, le ou les amplificateur(s) de puissance placé(s) directement en anmont des transducteurs. 11i 2605480 La figure 6 illustre schématiquement les niveaux de sortie des trois transducteurs T1,2; T2,3; T3,4 associés, en fonction de la fréquence. On note que les niveaux sonores de sortie correspondent à un maximum, pour chaque transducteur, dans la zone de fréquence qui lui est affectée. De plus, les niveaux sonores de sortie doivent être définis de façon qu'ils tiennent compte des cumuls des niveaux. Plus précisément, chaque composante de fréquence f du signal sonore est restituée pour l'essentiel par le trans- ducteur de bande de fréquence correspondante. Toutefois, chaque transducteur restitue également, de façon affai- blie, les composantes du signal dont les fréquences se trouvent en dehors de son intervalle de tra- vail. Le niveau total de restitution de chaque composante résulte donc du cumul de sa restitution par l'ensemble des transducteurs. En conséquence, afin de tenir compte de ce cumul, le niveau de sortie maximale P1 du transducteur T12 est supérieur au niveau de sortie P2 des transduc- 1,2 teurs T2,3, T3,4. Il est également possible de réaliser un ajustement encore plus précis, en associant un niveau maximal spécifique et différent pour chaque transducteurT12 T2,3, T3,4, les différences de réglage de chaque transducteur étant notamment liées à la dissymétrie de chaque courbe de réponse. Dans tous les cas, l'objectif est d'ajuster ces niveaux sonores maximaux de sortie de chaque trans- ducteur de façon à obtenir un niveau cumulé de restitu- tion du signal sonore qui soit sensiblement constant sur toute la gamme de fréquence de ce signal. En conclusion, le procédé selon l'in- vention a pour avantage essentiel d'utiliser de façon optimale chaque transducteur dans une zone de fréquence de travail o il cumule plusieurs propriétés très posi- tives: 12 2605480 - déplacement minimal de l'équipage mobile, et donc impédance cinétique faible; - rendement maximal, car la puissance perdue est minimale du fait que chaque transducteur fonctionne en surtension sous faible impédance (proche de ce qu'on appelle sa "valeur nominale d'impédance", relevée généralement à 400 Hz ou à 1000 Hz), dans la zone de fréquence de travail; - effet de sélectivité naturelle; par affecta- tion automatique de chaque fréquence, pour l'essentiel, au transducteur correspondant. 13 2605480 REVENDICATIONS 1 . Procédé de restitution sonore de si- gnaux électriques par transducteurs électro-acoustiques, notamment du type formés chacun d'au moins un haut-parleur monté dans une enceinte résonnante, et destinés à être branchés en sortie d'une source électrique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à brancher au moins deux transducteurs (T1,2;T2,3) en parallèle sur ladite source électrique, sans nécessité d'utilisation de filtres de sélection ou de correction ad- ditionnels, le choix des transducteurs (T1,2;T2,3) ainsi connectés étant réalisé de façon à faire travailler chacun sélectivement dans un intervalle de fréquence don- née (F1-F2;F2-F3), les intervalles de fréquence de travail des transducteurs étant juxtaposés de manière à couvrir la gamme totale (F1F3) du signal sonore à restituer, et chaque composante dudit signal étant sélectivement restituée,en fonction de sa fréquence (f), pour l'essentiel dans le transducteur travaillant dans l'intervalle de fréquence correspondant, du fait que ledit transducteur présente dans cet intervalle une im- pédance (Z) minimale. 2 . Procédé de restitution sonore de signaux électriques de fréquencesinférieuresà 150Hz envi- ron par transducteurs électro-acoustiques, notamment du type formés chacun d'au moins un haut-parleur monté dans une en- ceinte résonnante, et destinés à être branchés en sortie d'une source électrique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à brancher au moins deux transducteurs (T1,2;T2,3) en parallèle sur ladite source électrique, sans nécessité d'utilisation de filtres de sélection ou de correction ad- ditionnels. le choix des transducteurs (T1,2;T2,3) 14 2Z605480 ainsi connectés étant réalisé de façon à faire travail- ler chacun sélectivement dans un intervalle de fréquence donnée (F1-F2;F2F3), les intervalles de fréquence de travail des transducteurs étant juxtaposés de manière à couvrir la gamme totale (F1-F3) du signal sonore à res- tituer, et chaque composante dudit signal étant sélec- tivement restitué,en fonction de sa fréquence (f), pour l'essentiel dans le transducteur travaillant dans l'in- tervalle de fréquence correspondant, du fait que ledit transducteur présente dans cet intervalle une impédance cinétique (Zem) minimale. 3 . Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'intervalle de fréquence affecté à chaque transducteur est appro- ximativement centré autour de la fréquence pour laquelle il présente une impédance (Z), une impédance cinétique (Zem) respectivement, minimale. 4 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le transduc- teur (T1,2;T2,3) affecté à chaque intervalle (F1-F2; F2-F3) présente une impédance (Z), une impédance ciné- tique (Zem) respectivement,plus faible que l'impédance offerte dans ce même intervalle par tous les autres transducteurs du jeu complet de transducteurs montés en parallèle sur la source électrique. . Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on ajuste le niveau sonore maximal (P1,P2) de sortie de chaque transducteur (T1,2; T2,3) de façon à obtenir un niveau cumulé de restitution du signal sonore qui soit sensi- blement constant sur toute la gamme de fréquence (F1- F3). 6 . Jeu de transducteurs connectés électri- quement en parallèle sur la même source permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des 2605480 revendications 1 à 5. 7 . Jeu de transducteurs selon la revendi- cations 6, caractérisé en ce que chaque transducteur est constitué d'au moins un haut-parleur couplé à une cavité résonnante,le ou leshautparleurset la cavité résonnante étant choisisde façon à ce que le ou les équipage(s) mobile(s) présentent un déplacement minimal dans l'intervalle de fréquence qui est affecté au transducteur. 8 . Jeu de transducteurs selon la revendi- cations 6, caractérisé en ce que chaque transducteur est constitué d' -au moins un haut-parleur électrodynamique monté dans une cavité résonnante de Helmholtz, les fréquences de résonance du ou des haut-parleurs et de la cavité résonnante d'un même transducteur étant identiques ou voisines. 9 . Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et d'un jeu de trans- ducteurs selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, pour la restitution des fréquences sonores inférieures à Hz.