Brevet FR2640105A1 — publié le 19900608

Procédé de cablace et de choix de transducteurs électro-acoustiques pour la réalisation d' enceintes acoustiques*. permettant d'ameliorer l'effet de directivité et de profondeur dans les systèmes de diffusion stbrëoDhoniaue** domestiaues et professionnel *( Ce que nous désignons dans ce brevet sous le terme "enceintes acoustiques" peut etre constitué d'un seul objet compact ou d'un groupe 'objets discrets) **(Selon la définition de W.B;;Snow dans the journal of the SMPTE, vol. 61 p. 567-589 , Novembre 1953 , republié dans 'An anthology of reprinted articles in stereophonic techniques' de 1'AUDIO ENGINEERING SOCIETY,Avril 1986 ,page 10 stereophonîc - a system employing two or more microphones spaced in front of a pickup area,connected by independent amplifying channels to two or more loudspeakers spaced in front of a listening area..." Que nous traduisions ...stereophonique : un systeme employant deux ou plus de deux microphones espacés sur le lieu de prise de son 9 reliés à deux ou plus de deux "haut-parleurs" ou "enceintes acoutiques" par des cannaux d'amplification indépendant,espacées dans 1 'auditorium. Etat des techniques anterieures: Etat des techniques anterieures: L'utilisation de filtres (communément nommés "filtres passifs pour enceintes acoustiques") contenants des inductances et des condensateurs permet dans les systemes de diffusion 12/ d'améliorer la regularité de la bande passante du systeme de diffusion (exemple filtre bouchon) 20/ de spécialiser certains transducteurs dans une bande de fréquence donné (exemple : filtre passe bande 30/ de protéger certains transducteurs et notament les transducteurs spécialisés dans les hautes frequences audio (exemple : filtre coupe bas Il est d'usage courant d'utiliser des filtres dans les systemes de diffusion lectro-acoustique .L'inconvénient majeur des filtres (tel que définit plus haut) est qu'ils provoquent sur le signal électrique et par conséquent sur l'émission acoustique , des déphasages que nous considérons comme des ."perturbations temporelles de la composition du signal" ces déphasages variant en fonction de la fréquence , et par conséquent en fonction de la composition spectrale des signaux injectés Il est reconnu que les transitoires et les fronts d'ondes permettent en grande partie la localisation spaciale des émetteurs sonores (par exemple : la publication de W.b.SNOW dito Il est reconnu que les transitoires et les fronts d'ondes sont composes d'une large partie du spectre. (voir l'ouvrage de L.Pimonow: vibrations en régime transitoire ,DUNOD 1962 ) Il apparait donc que pour avoir un bon rendu de l'effet de localisation spaciale au cours de la diffusion , il serait souhaitable que toutes -les composantes du spectre soient reproduites correctement en intensité , en fréquence et en temps (cette dernière condition nécessite donc une grande fidélité temporelle compte tenu de la courte durée des phénomènes transitoires Il est reconnu que les transducteurs électro-acoustique ayant un diaphragme de grand diametre reproduisent mal ou ne reproduisent pas du tout les fréquences hautes . Ces transducteurs sont donc specialisés , par constuction , pour le bas du spectre . Ils présentent donc une attenuation naturelle au dessus de la bande de fréquence la plus linéairement de reproduite .Nous considérons sous le terme "fréquence de coupure naturelle" la fréquence à la quelle l'atténuation en dessous du niveau moyen de la bande de fréquence reproduite linéairement , atteind 6dB , (mesuré dans l'axe avec le transducteur équipé sur le baffle choisi pour la réalisation envisagée) et ce , sans qu'aucun filtrage électrique n intervienne sur le signal injecté dans le transducteur .(Nota : la bande dite linéaire présente toujours des irrégularités) D'autre part il est reconnu aussi que les transducteurs de faible diametre ne reproduisent pas du tout les fréquences basses .Ils présentent donc une atténuation et une fréquence de coupure naturelle au dessous de la bande de frequence qu'ils reproduisent le plus lineairement. ("fréqence de coupure naturelle": voir notre définition au dessus.) Afin de remédier à l'inconvenient des filtres en ce qui concerne la spacialisation en particulier, le présent brevet apporte comme solution 1/ la supression des filtres (c'est à dire des circuits électriques .composés de condensateurs et/ou d' inductances) entrant traditionnellement dans la fabrication des enceintes acoustiques - à l'exclusion des résistances ohmiques pures servant à compenser les rendements des différents tranducteurs Et dans les cas de multiamplification (par ex: biamplification, triamplificat1on*,.) il sera necessaire de supprimer les filtres actifs généralement utilisés (ou les filtres passifs si c'est le cas) et ce quelque soit leur place dans le circuit du systeme de diffusion , y compris en aval des amplificateurs. 2/ l'utilisation de transducteurs electro-acoustiques spécialisés dans le haut du spectre capable de supporter de fortes puissances (et cela en dessous de leur fréquence de coupure basse puisqu'aucun filtre ne les protêge) 3/le choix des transducteurs est aussi determlné par les déphasages de leur 'transduction' électro-mecano-acoustique on choisira bien sur ceux qui offrent la meilleure fidélité en phase. NOTA=ces criteres de choix de transducteurs ne sont pas quantifiables (puissance minimum,déphasage maxi-mum) : il est souhaitable de suivre et de bénéficier des évolutions technologiques de ce domaine dans un souci d'amélioration .Le choix des transducteurs en fonction de leur fidélité en phase en particulier , découle de la logique développée par le présent brevet. o/ ce brevet apporte une amélioration qui n'a pas d'entécédant technique : il s'agit d'un effet qui peut etre ressenti par tout auditeur utilisant un systeme tel décrit dans ce brevet -10 réaliser des systemes de reproduction electro-acoustique et enceintes acoustiques (toujours selon notre définition) selon les recommandations ci-dessus concernant les filtres. -20 il y aura au moins deux transducteurs par cannal (par exemple : en stéréophonie domestique il n'y a généralement que deux cannaux - 1 droite et 1 gauche -30 deux transducteurs au moins devront etre spécialisés: 1 pour les fréquences hautes nous situons le haut du spectre entre 500 Hz et au-dessus de 4000Hz. 1 pour les fréquences basses nous situons le bas du spectre entre 4000 Hz et au dessous de 500Hz. Ces fréquences ne sont pas choisis de manière arbitraire. Leurs valeurs sont des limites pour l'application envisagée. Si il y a plus de deux transducteurs, les transducteurs supplémentaires viendrons soit renforcer (par leur rendement l'une des deux bandes du spectre ci-dessus définies (fréquence hautes ou basses) soit "aider" a un meilleur recouvrement du spectre , soit les deux à la fois. -4 la fréquence de coupure "naturelle" d'un des transducteurs du haut du spectre et d'un du bas du spectre devra se situer entre 500 Hz et 4000 Hz sans toute fois qu'il soit necessaire que cette fréquence de coupure naturelle soit la meme pour le transducteur de haut du spectre que pour celui spécialisé dans le bas du spectre. -50 le (ou les) transducteur(s) spécialisé(s) dans le haut du spectre devra (ou devront) etre cablé(s) en "oppositon de phase" (1800) par rapport au (ou aux) transducteur(s) spécialisé(s) dans le bas du spectre . Nous entendons par la que les transducteurs du haut du spectre devront créer une variation de pression (acoustique) pour une impulsion électrique positive injectée dans le systeme de diffusion , de sens inverse que celle créée par le transducteur du bas du spectre pour la meme impulsion. 60 il ne peut pas y avoir de transducteur recouvrant å la fois, meme partiellement, le haut et le bas du spectre, tel que défini plus haut puisque l'on ne saurait créer en suivant les exigences précédentes une 'opposition de phase' (1800) de la pression (acoustique) entre le haut et le bas du spectre avec le meme diaphragme. -70 il est évident que tous les cannaux stéréophoniques (toujours selon la définition de W.B.Snow citée plus haut) devraient etre cablés d'une maniére identique. COMMENTAIRE DES SHEMAS FIGURE N01 Il s'agit là des symboles utilisés valables pour tous les shémas suivant. (1) représente un transducteur spécialisé dans le bas du spectre (2) représente un transducteur spécialisé dans le haut du spectre (3) représente une résistance ohmique pure n'ayant ni effet capacitif ni effet inductif. (4) représente un des points de l'entrée du systeme de diffusion ou de l'enceinte acoustique* habituellement nommée "point chaud mais ce terme est dificilement applicable dans le cas de ce brevet, sinon conventionnellement. (5) représente l'autre point de l'entrée du systeme de diffusion ou de l'enceinte acoustique* que nous nommerons conventionnellement "point froid" (6) représente une courte impulsion positive injectée dans l'enceinte acoustique* ou dans le systeme de diffusion (positif sur le point chaud , masse sur le point froid.). (7) -que nous avons entouré dans ce cas pour désigner l'ensemble- représente un systeme de coordonnées qui nous permettra de représenter la bande passante des transducteurs électro-acoustiques.L'ordonnée marquée (Pr) représente la pression acoustique mesurée dans l'axe du transducteur pour une puissance injectée constante.L'abscisse marquée (F) représente la fréquence du signal injecté.Les transducteurs sont toujours cencés etre équipés sur l'enceinte -acoustique* envisagée. FIGURE N 2 Elle représente deux transducteurs cablés selon les propositions du présent brevet . Pour une impulsion positive injectée (a) le diaphragme du transducteur spécialisé dans le haut du spectre crée une variation de pression (1) de sens opposé à celle (2) créée par le transducteur spécialisé dans le bas du spectre (sens de la pression symbolisée par le sens des fleches) .Configuration conforme à ce brevet. FIGURE No3 Bien que les mouvements des diaphragmes sont inverses par rapport a la FIGURE Nol , pour une meme impulsion positive (a) le diaphragme du transducteur spécialisé dans le haut du spectre crée une variation de pression (2) de sens opposée a celle (1) créée par le transducteur spécialisé dans le bas du spectre . Configuration conforme à ce brevet FIGURE N 4 Exemple d'enceinte acoustique composée de 4 transducteurs.On remarquera que les transducteurs du haut- du spectre créent des variations de pression (1) de sens opposé a celles (2) créée par les transducteurs du bas du spectre . Configuration conforme à ce brevet. FIGURE No5 Des résistances ohmiques pures (a) , (b) , (c) , (d) peuvent etre inserrées dans le circuit des transducteurs t (tout en restant conforme aux exigences de ce brevet) , pour conformer leurs différents rendements. Sur cette FIGURE la place des résistances n' est donée qu'a titre d'exemple. Configuration conforme a ce brevet. FIGURE N06 De meme que nous pouvons utiliser le cablage en série des transducteurs ou des composltlons "série-paralelles", et rester conforme au présent brevet. FIGURE No7 Dans le systeme de coordonnées Pr-F décrit ci-dessus (Figure No 1 (7) > nous trouvons la représentation idéalisée des courbes de réponse de deux transducteurs équipés sur une enceinte acoustique* et mesurées dans leurs axes . (1) représente la courbe de réponse d'un transducteur spécialisé dans le bas du spectre .Sur l'axe des pressions acoustique (Pr), (a) représente la pression moyenne de la bande de fréquence ou le transducteur est le plus linéaire. (b) se trouve à 6 dB en dessous de (a) . (h) est un point sur la courbe (1) qui nous permet de connaitre (c) qui est notre "fréquence de coupure naturelle" telle que nous l'avons précédemment définie située entre 500 Hz et 4000 Hz pour deux au moins des transducteurs de l'enceinte acoustique* envisagée. La courbe (2) s'interprette comme la courbe (1), a ceci prés que la courbe (2) représente un tansducteur spécialisé dans le haut du spectre.C'est ici la fréquence de coupure naturelle basse qui retient notre attention FIGURE Nos (a) représente la valeur moyenne de pression acoustique dans les bandes de fréquence ou les transducteurs sont les plus linéaires . (b) est à 6 dB en dessous de (a). (1) la bande de fréquence recouverte par les transducteurs spécialisés dans le bas du spectre. (2) celle des transducteurs du haut du spectre. Pour deux au moins des transducteurs , trois cas de recouvrement peuvent se présenter: 1/ (v) le transducteur spécialisé dans le haut du spectre à sa fréquence de coupure basse de meme valeur que la fréquence de coupure haute du transducteur spécialisé dans le bas du spectre.Cette fréquence doit etre comprise entre 500Hz et 4000Hz 2/ (p) la fréquence de coupure basse du transducteur spécialisé dans le haut du spectre ,(r) la fréquence de coupure haute du transducteur spécialisé dans le bas du spectre. (p > et (r) ont une valeur comprise dans la bande des 500Hz a 4000Hz. 3/ (y) et (z) représente la dernière configuration possible. (y) et (z) sont blen sur toujours compris entre 500Hz et 4000Hz. Le cas 2/ et 3/ illustre le fait que la fréquence de coupure naturelle des deux types de transducteurs n'est pas forcément la meme.Ces trois cas représentent des configurations conformes au du présent brevet dans les conditions décrites ci-dessus. FIGURE N09 Il s'agit la d'une série d'exemples permettant de mieux cerner les différentes configurations de recouvrement spectral. (configuration a plus de deux transducteurs). (a) et (b) permettent par leur association un meilleur recouvrement du spectre ainsi que (c) et (d) . (r) a pour valeur 500 Hz et (s) a pour valeur 4000 Hz la zone pointillée représente la bande de fréquence charnière qui détermine pour les transducteurs leur cablage (ceux recouvrant les bandes partant de la zone 500-4000Hz et au dessus devant etre cablés en "opposition de phase", 1800 , par rapport à ceux recouvrant les bandes.partant de la bande 500-4000Hz et au dessous.). Configuration conforme au présent brevet. (e) et (g) "agissent" sur la meme bande de fréquence le rendement de l'un est augmenté par l'autre . Il en est de meme pour (h) et (k) Configuration conforme au présent brevet. Enfin dans le cas des courbes (m) , (n) , (p) il faut remarquer que (p) recouvre la bande de fréquence située entre 500 Hz (r' > et 4000 Hz (s) > cette configuration N'EST PAS conforme au présent brevet il ne peut pas y avoir ae transducteur recouvrant à la fois meme partiellement, le haut et le bas du spectre à la fois. FIGURES No10 et 11 Les systémes de multiamplification (ex: biamplification t triamplification , etc ..) ne sont généralement pas conformes aux éxigences du présent brevet puisqu'ils font appel à des circuits de filtrage imposant des déphasages aux différentes bandes du spectre ( Ces filtres actifs ou passifs sont en aval de l'amplîficartion) . En éliminant du circuit ces filtres il est possible de trouver des configurations conformes au présent brevet. Fiv. 10 et 11 : (1) est un systeme bi-amplifié et (2) un systeme tri-amplifié donné a titre d'exemple car il n'y a pas de limite supérieure dans le nombre de voies (la limite inférieure étant : deux) . Aucun filtrage n'agit sur le spectre , l'impulsion positive (a) est envoyée intégralement à chaque amplificateur (b) , (c) , (d) , (e) , (f) , ceux-ci ont pour role de comformer les rendements des différents transducteurs . L'inversion de phase (1800) est pratiquée soit en aval (fig.10) soit en amont (fiv.11) de l'amplification.Dans ces deux cas on remarquera que l'impulsion positive infectée s'observe a l'entrée du systeme et non a l'entrée de l'enceinte acoustique* , étant évident que dans le cas (fig.10) que les impulsions arrivant a l'enceinte sont inversés en phase (1800) avant ampliflcatlon.ces configurations sont bien conformes aux exigences et aux revendications du présent brevet. * (selon nos définitions plus haut) REVENDICATIONS 1) Procédé de cablage et de choix de transducteurs électro-acoustique pour les systemes de diffusion sonore stéréophoniques domestique et professionnels caractérisé en ce qu'il: -n'utilise ni filtrage électrique passif constitué , meme en partie, d'éléments reactifs ( inductance et condensateur ) en amont ou en aval de l'amplification , ni filtrage actif c'est a dire constitué d'éléments actifs (transistor , tube ampli-operationnel ,... etc) utilisé en amont ou en aval de l'amplification ,filtrage ,qui effectuerait sur un signal audio quelconque à diffuser , et notament sur les transitoires une modification sur les phases des composantes d'une partie ou de la totalité du spectre que l'enceinte envisagée recouvre. -nécessite au moins deux transducteurs par cannal , dont l'un doit etre , par construction , spécialisé dans le haut du spectre et l'autre , idem , dans le bas du spectre , (autour de la bande de fréquence de 500Hz à 4000Hz) , et que le signaux arrlvants à celui ou ceux qui seront spécialisés dans le haut du spectre devront etre cablés en un endroit quelconque du systeme de diffusion inversé phase (1800) par rapport aux signaux arrivant à celui ou à ceux spécialisés dans le bas du spectre. 2) procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce.que les transducteurs sont : classés en deux catégories: -haut du spectre : bande de fréquence qui trouve sa fréquence de coupure ( mesurée dans l'axe du transducteur monté sur l'enceinte acoustique envisagée , fréquence présentant une atténuation de 6dB en dessous du niveau moyen de la pression acoustique de la bande de fréquence que le transducteur reproduit le plus linéairement et ce sans qu'aucun filtrage électrique n'intervienne sur ce transducteur.) basse située au plus bas à 500Hz et sa fréquence de coupure haute située au plus bas au dessus de 4000Hz. -bas du spectre : bande de fréquence qui trouve fréquence de coupure (mesurée dito) haute au plus haut à 40-OOHz sa fréquence de coupure basse au plus haut au dessous de 500Hz. Et dont ces deux catégories de transducteurs sont cablés en opposition de phase (1800) l'une par rapport à l'autre. 3) procédé selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'opposition de phase de 1800 des signaux destinés aux transducteurs du haut du spectre et à eux seul par rapport aux signaux destinés aux transducteurs du bas du spectre et à eux seul peut etre éffectuée en un point quelconque du systeme de diffusion soit en aval de l'amplification (multtl-ampllflcation) soit en amont de l'amplification. 4) procédé selon la revendication 1 et 2 caractérisé par le fait que deux au moins des transducteurs par cannal doivent répondre aux exigences suivantes - un sera spécialisé pour le haut du spectre et aura une fréquence de coupure (mesurée dito) basse située entre 500Hz et 4000Hz et une frequence de coupure haute superieure a 4000Hz -l'autre sera spécialisé pour le bas du spectre et aura une fréquence de coupure (mesurée dito) haute située entre 500Hz et 4000Hz et une fréquence de coupure basse (mesurée dito) inferieure à 500Hz. 5) procédé selon les revendications 1 , 2 et 4 caractérisé en ce que s'il y a plus de deux transducteurs par cannal , deux au moins doivent répondre aux exigences de la revendication 4 les autres (le 3eme , le 4eme ,etc,...l viendront renforcer par leur rendement les bandes recouvertes par les deux premiers transducteurs etZou permettre un meilleur recouvrement du spectre.S'ils recouvrent une bande de fréquence éloignée de la bande de SQQHz a 4000H7 ils ne peuvent logiquement répondre aux exigences de la revendication 4 en ce qui concerne les limites du spectre recouvert mais doivent toutefois répondre aux exigences des revendications 1 , 2 , 3 et 6. 6) procédé selon toutes les revendications précédentes caractérisé en ce qu'il ne peut y avoir de transducteur recouvrant meme partiellement le haut et le bas du spectre c'est à dire ayant une fréquence de coupure basse inferieure à 500Hz et une fréquence de coupure haute supérieure a 4000Hz.