Brevet FR2660145A1 — publié le 19910927

La présente invention concerne les enceintes acoustiques du type à haut- parleur auxiliaire actif; ces enceintes comprennent deux haut-parleurs électro- dynamiques alimentés en phase, un haut-parleur principal disposé dans une première chambre et un haut-parleur auxiliaire disposé dans une deuxième chambre adjacente à la première, le haut-parleur auxiliaire étant disposé sur la paroi commune aux deux chambres. La reproduction des graves et des extrêmes graves est un problème crucial pour les enceintes acous- tiques Les haut-parleurs électrodynamiques de faible diamètre sont nettement supérieurs aux haut-parleurs de grand diamètre du fait que leurs caractéristiques d'ac- célération sont nettement plus élevées; cependant, les haut-parleurs de faible diamètre sont incapables, avec des charges classiques, de rayonner beaucoup d'énergie en dessous d'une fréquence de 100 Hz avec un taux de distorsion harmonique acceptable. On sait que, dès que la longueur d'onde acous- tique est grande par rapport aux dimensions d'un haut- parleur nu, il se produit un phénomène de court-circuit acoustique qui crée une chute de niveau importante pour les basses fréquences Il est possible d'atténuer ou de supprimer ce court-circuit en augmentant la distance séparant les deux faces de la membrane par un baffle plan ou replié ou bien en isolant l'onde arrière par une enceinte. Pour résoudre ce problème, on a proposé un certain nombre de structures qui ne permettent malheu- reusement pas de le résoudre dans des conditions satis- faisantes On a tout d'abord proposé un baffle plan; dans ce système, il n'existe aucun amortissement du haut-parleur pour sa fréquence de résonance et la dis- torsion est importante dès que le niveau augmente. On a également proposé une enceinte close ma-is cette solution présente l'inconvénient d'un très faible rendement et d'une médiocre réponse transitoire. Une autre solution bien connue est l'enceinte bass-reflex Cette solution permet d'élargir la bande passante dans les graves, de diminuer la distorsion et d'obtenir une réponse correcte Cependant, il existe une double pointe de résonance de part et d'autre de la fréquence de résonance du haut-parleur à l'air libre et cet ensemble fournit un son de qualité moyenne qui est qualifié de "son de boîte". On a également proposé des enceintes à charge symétrique dans lesquelles le haut-parleur est chargé sur sa face avant par un résonateur et sur sa face arrière par une enceinte close, le résonateur permettant d'accorder le système Une telle enceinte présente une bonne réponse en extrême grave et une faible distorsion mais son utilisation est limitée à la reproduction des extrêmes graves et elle présente une résonance à la fré- quence de coupure haute (résonateur de Helmholtz). Les enceintes quart d'onde sont constituées d'un tuyau ou ligne acoustique qui peut être replié et dont la longueur correspond au quart d'onde de la fré- quence la plus basse à reproduire Elles ont une bonne réponse en extrême grave étendu, mais la courbe de réponse est irrégulière et elles présentent une réso- nance de tuyau de la ligne acoustique. Une autre solution qui a été étudiée par Olson en 1947 consiste à utiliser une enceinte à haut-parleur auxiliaire actif du type décrit ci-dessus. Théoriquement, dans cette enceinte, aux basses fréquences, l'impédance acoustique de l'air du volume commun aux deux haut-parleurs est notablement plus faible que celle d'une enceinte close En alimentant en phase les deux haut-parleurs et en adoptant comme haut- parleur auxiliaire un modèle à fréquence de résonance très basse-, tout se passe grossièrement comme si le haut-parleur principal était monté en baffle infini. Avec cette solution, on n 'est pas parvenu à optimiser l'équilibre de pression sur les deux faces des haut-parleurs utilisés de manière à élargir la bande passante vers l'extrême grave et à obtenir une impédance quasi constante. La présente invention se propose de réaliser une enceinte du type précité dans lequelle on réalise l'équilibrage de pression sur les deux faces de chacun des haut-parleurs. L'enceinte selon l'invention est caractérisée en ce que la première chambre est constituée de deux cavités adjacentes reliées par un évent traversant leur cloison commune, une première cavité contenant le haut- parleur principal et étant accordée sur ce dernier et une deuxième cavité comprenant la paroi commune aux deux chambres précitées et étant accordée sur le haut-parleur auxiliaire, en ce que la deuxième chambre comprend une chambre de compression dans laquelle est logé le haut- parleur auxiliaire et qui débouche sur une ligne acous- tique de section croissante et en ce que les deux haut- parleurs sont choisis de manière à-ce qu'il déplacent le même volume d'air Ceci peut être obtenu en choisissant des haut-parleurs de même diamètre. De cette manière, on réalise un très bon équilibrage des pressions avant et arrière pour chacun des haut-parleurs dont les déplacements s'effectuent en phase; par ailleurs, chaque haut-parleur étant amorti de manière presque idéale, le volume d'air engendré par les deux cavités de la première chambre possède une élasticité qui simule une charge infinie, ce qui permet d'obtenir une exellente impédance motionnelle. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, la ligne acoustique précitée est une ligne acous- tique repliée constituée par une paroi intérieure de la deuxième chambre Cette disposition permet de réduire pratiquement de moitié la longueur de la deuxième cham- bre. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les caractéristiques des deux haut-parleurs autres que leurs diamètres sont légèrement différentes. En particulier, les facteurs de surtension et les fré- quences de résonance sont légèrement différentes, ce qui permet de réaliser plus facilement l'accord des deux haut-parleurs, la pointe de surtension étant moins grande. Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième cavité de la première chambre est accordée au moyen d'un évent de type tunnel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit d'un exemple de réalisation, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe de profil d'une enceinte selon l'invention; la figure 2 est une vue de face de l'en- ceinte de la figure 1; la figure 3 est un diagramme représentant l'impédance de charge de l'enceinte selon l'invention en fonction de la fréquence; la figure 4 est un diagramme représentant la courbe de réponse dans l'axe du haut-parleur principal avec l'enceinte selon la présente invention; la figure 5 est un diagramme représentant l'impédance du hautparleur principal nu; et la figure 6 est un diagramme montrant la réponse du haut-parleur principal placé dans une en- ceinte connue de type bass-reflex. Les figures 1 et 2 représentent schématique- ment un exemple de réalisation d'une enceinte selon l-invention Cette enceinte est une enceinte à haut- parleur auxiliaire actif et comporte deux haut-parleurs, un haut-parleur principal 1 et un haut parleur auxi- liaire 2 Le haut-parleur principal 1 est monté dans une première chambre 3 qui est adjacente à une deuxième chambre 4; les deux chambres 3 et 4 comportent une paroi commune 10 sur laquelle est fixé le haut-parleur auxiliaire 2 celui-ci se trouvant dans la deuxième chambre 4. Conformément à l'invention, la première cham- bre 3 est divisée en deux cavités 5 et 6 par une cloison horizontale 7 Les deux cavités 5 et 6 sont réunies par l'intermédiaire d'un évent 8 aménagé dans la cloison 7. La cavité supérieure 5 comprend le haut-parleur prin- cipal 1 et la cavité inférieure 6 est chargée par le haut-parleur auxiliaire 2 Le volume de la cavité supé- rieure 5 est calculé pour que celle-ci soit accordée avec le haut-parleur principal 1 et le volume de la cavité inférieure 6 est calculé pour que cette cavité soit accordée avec le haut-parleur auxiliaire 2 L'ac- cord de la cavité 6 est obtenu au moyen d'un évent 9 communiquant avec l'extérieur de la chambre 3. La chambre 4 comprend une chambre de compres- sion 11 dans laquelle est logé le haut-parleur auxi- liaire 2; cette chambre de compression 11 communique avec une ligne acoustique à section croissante terminée par une embouchure 12. La longueur de la ligne acoustique à section croissante est calculée en fonction de la fréquence de résonance du haut-parleur auxiliaire 2; pour limiter la longueur de cette ligne acoustique, on réalise avanta- geusement une ligne acoustique repliée au moyen d'une paroi 13 qui s'étend à partir du bas de la chambre de compression 11 à partir de l'arête 14, jusqu'à une arête inférieure 15 Cette paroi 13 est inclinée par rapport aux parois extérieures de la chambre 4. Cette ligne acoustique présente une section constante dans le bas de la chambre 4, c'est-à-dire que la distance de l'arête 15 à chacune des deux parois verticales et au fond 16 de la chambre 4, a est la mé- me; la ligne acoustique déterminée par la paroi 13 étant de section croissante, la section de cette ligne acoustique a son début, au niveau de l'arête 11, qui est déterminée par la largeur 1, est la moitié de la section de son extrémité déterminée par la largeur L au voisi- nage de l'embouchure 12. Les deux haut-parleurs principal 1 et auxi- liaire 2 ont le même diamètre et ils présentent un facteur de surtension très bas De cette manière, les volumes d'air entraînés par les deux hautparleurs alimentés en phase sont égaux et le volume de la chambre 3 compris entre la face arrière du haut-parleur prin- cipal 1 et la face avant du haut-parleur auxiliaire 2 reste rigoureusement constant Le fait que les deux haut-parleurs ont un facteur de surtension très bas permet d'obtenir un amortissement important à la fré- quence de résonance des deux haut-parleurs. Les deux évents 8 et 9 sont de préférence cylindriques pour éviter les phénomènes de turbulences. Les dimensions de l'évent 9 sont déterminées de manière à obtenir une courbe de réponse plate et la plus étendue possible Avantageusement, la section de cet évent 9 correspond au tiers de la surface effective du dia- phragme du haut-parleur auxiliaire 2 La longueur de cet évent 9 est déterminée par la variation du module d'im- pédance en extrême grave. 7. L'évent 8 agit comme un ressort par rapport à la masse d'air qui circule dans les deux cavités 5 et 6 et permet de réguler le flux d'air circulant entre les deux cavités L'évent 9 permet de supprimer la surten- sion engendrée par le fonctionnement en tandem des deux haut-parleurs pour une fréquence supérieure à 150 Hz; en l'absence de cet évent, cette surtension se traduit par une brusque élévation du niveau de pression acous- tique entre 150 et 300 Hz (+ 6 d B minimum) Ainsi pour des fréquences inférieures à 150 Hz, l'énergie rayonnée est le cumul de l'énergie rayonnée par le haut-parleur principal et les deux évents 8 et 9 Audessus de cette fréquence, seul le haut-parleur principal rayonne de l'énergie. Les dimensions de l'évent 8 ne peuvent être calculées du fait que la compliance de la masse d'air emprisonné entre les deux hautparleurs ne peut pas être calculée Avantageusement, sa section correspond au tiers de la somme des surfaces effectives du diaphragme des deux haut-parleurs 1 et 2- La ligne acoustique 13 dont la section est croissante de manière uniforme agit comme un sifflet et constitue une tranformateur d'impédance acoustique, la masse d'air mise en mouvement à son entrée 14 en bas de la chambre de compression 11 chargeant un volume d'air de plus en plus important jusqu'à l'embouchure 12 par augmentation progressive du nombre de molécules d'air excitées dans la ligne L'impédance acoustique est donc élevée à l'entrée de cette ligne acoustique dont la section est déterminée par la largeur 1 et plus faible à son embouchure dont la section est déterminée par la largeur L. Le fait que la section soit croissante suppri- me les résonances de tuyau que l'on rencontre avec des lignes acoustiques usuelles de section constante. L'embouchure 12 est accordée sur la fréquence de résonance du hautparleur auxiliaire 2 de manière à constituer un résonateur de Helmholtz; il en résulte que le haut-parleur auxiliaire 2 est parfaitement amorti sur sa face arrière, l'embouchure 12 engendrant un signal constant Cet accord est déterminé de manière expérimentale de manière à obtenir une réponse plate; de préférence la section de l'embouchure 12 est toujours inférieure au tiers de la surface effective du dia- phragme du haut-parleur 2. La section de la sortie de la chambre de compression 11, c-est-à-dire la section de la bouche d'entrée de la ligne acoustique 13 est de préférence approximativement égale à 0,7 fois la surface effective du diaphragme du haut-parleur 2. La ligne acoustique 13 est déterminée par sa bouche d'entrée qui vient d'être définie et sa surface de sortie, au niveau de l'arête 14, est le double de sa section d'entrée La longueur de la ligne acoustique 13 est calculée sur la base des paramètres de l'enceinte quart d'onde à laquelle on applique un coefficient de correction en raison de sa section croissante qui lui permet de travailler en transformateur acoustique Cette longueur dépend de la fréquence de résonance du haut- parleur auxiliaire 2. Les volumes d'air déplacés par le haut-parleur 2 de part et d'autre de son cône génèrent une onde acoustique qui rayonne à l'extérieur de l'enceinte par les évents 12 et 9 La charge vue par les deux côtés du cône est ainsi rendue isobarique en raison de l'accord des cavités de part et d'autre du haut-parleur 2 Elle permet ainsi son fonctionnement en symétrie de pression ce qui favorise sa réponse transitoire (symétrie des amplitudes positives et négatives d'une impulsion ou d'un train d'ondes). L'émission des évents 12 et 9 est cependant en opposition de phase en raison du fonctionnement même d'un haut-parleur, mais le court-circuit acoustique ne se produit qu'en dessous de la fréquence la plus basse à reproduire (définie par la longueur de la ligne elle même définie par la fréquence de résonance du haut- parleur 2) la distance parcourue par l'onde acoustique étant plus grande que le quart de la longueur d'onde la plus basse à transmettre. Cette distance est définie soit par la lon- gueur de la ligne acoustique augmentée de la distance entre les évents 12 et 9 soit par la longueur de la ligne acoustique augmentée de la distance entre l'évent 12 et le haut-parleur 1. Les volumes, V, des cavités 5 et 6 sont avan- tageusement calculés en utilisant les paramètres de Thiele pour le calcul d'une charge bass-reflex à sa- voir: V = S VAS Qts 2 S correspondant au coefficient de surtension de la cavité à la résonance VAS étant le volume d'air équivalent à la suspension du haut-parleur et Qts étant le coefficient de surtension du haut-parleur Le coeffi- cient de surtension S qui peut varier entre 5 7 et 11, a été déterminé expérimentalement pour l'enceinte selon la présente invention et sa valeur est approximativement de 6,7. On voit que les volumes de la chambre supé- rieure 2 dépendent fortement du coefficient de surten- sion du haut-parleur puisque ce coefficient se trouve au carré dans l'équation ci-dessus; c'est pourquoi il est particulièrement avantageux de choisir des haut-parleurs dont le coefficient de surtension est très bas si l'on désire limiter le volume de l'enceinte. Les deux haut-parleurs 1 et 2 servent à la restitution des sons graves et extrêmes graves et, comme on peut le voir sur la figure 2, l'enceinte est com- plétée par deux autres haut-parleurs, un médium 16 et un haut-parleur d'aigus 17 qui sont montés dans la cavité 6. Le déposant a réalisé, à titre d'exemple, une enceinte conforme à la présente invention; la hauteur de la chambre inférieure 4 est de 70 cm, sa profondeur de 18 cm et sa largeur de 15 cm (dimension interne) A son entrée, la ligne acoustique 13 a une section déter- minée par une largeur 1, égale à 6 cm et il en résulte que la distance a est égale à 9 cm et la largeur L à 12 cm La hauteur de l'embouchure 12 est de 4,5 cm. En ce qui concerne la deuxième chambre, les deux cavités ont une profondeur de 28 cm et une largeur de 20 cm; la hauteur de la cavité 5 est de 19 cm et celle de la cavité 6 est de 23 cm (dimension interne). L'évent 8 a un diamètre de 10,4 cm et sa longueur est de 14 cm; l'évent 9 a un diamètre de 7,4 cm et une longueur de 9 cm Les deux haut-parleurs sont des haut-parleurs électrodynamiques de diamètre 17 cm; en ce qui concerne le haut-parleur auxiliaire 2, son facteur de surtension est égal à 0,25, sa fréquence de résonance est de 40 Hz et le volume d'air équivalent à la suspension est de 0,031 m 3 Le haut-parleur principal 1 présente des caractéristiques légèrement différentes à savoir son facteur de surtension est égal à 0,27 sa fréquence de résonance à 39 Hz et le volume d'air équivalent à la suspension de 0,023 m 3. Comme indiqué plus haut, l'invention permet de réaliser un très bon équilibrage des pressions pour les deux haut-parleurs et les résultats obtenus par l'en- ceinte selon l'invention sont très bons puisque l'on peut obtenir une courbe d'impédance représentée à la figure 3 qui est quasi plate, les deux haut-parleurs ne présentant aucune surtension et engendrant un niveau constant jusque dans l'extrême grave avec une très grande qualité. Cette courbe est à comparer avec la courbe de la figure 5 qui représente la courbe d'impédance du haut-parleur principal nu La figure 4 donne la courbe de réponse dans l'axe du haut-parleur principal pour l'enceinte selon la présente invention On peut constater que cette courbe est pratiquement plate Elle est à comparer avec la courbe correspondante que l'on peut obtenir avec un haut-parleur du même type que le haut-parleur principal disposé dans une enceinte de type bass-reflex. Afin d'annuler tout effet secondaire lié à l'ébénisterie, l'épaisseur des parois de la ligne acous- tique 13 a été choisie pour éviter toute émission d'har- monique trois Le non parallélisme des parois internes de cette ligne acoustique permet de n'utiliser en outre qu'un minimum d'absorbants, ce qui évite de dissiper de l'énergie en chaleur et préserve toute la plénitude harmonique du grave et toute la richesse du bas médium. PR 1 ffl NDICATIQ Na 1 Enceinte acoustique du type à haut-parleur auxiliaire actif comprenant deux haut-parleurs électro- dynamiques alimentés en phase, un haut-parleur principal ( 1) disposé dans une première chambre ( 3) et un haut- parleur auxiliaire ( 2) disposé dans une deuxième chambre ( 4) adjacente à la première chambre ( 3), le haut-parleur auxiliaire ( 2) étant disposé sur la paroi commune ( 10) aux deux chambres ( 3, 4) caractérisée en ce que la première chambre ( 3)est constituée de deux cavités adjacentes ( 5, 6) reliées par un évent ( 8) traversant leur cloison commune ( 7), une première cavité ( 5) con- tenant le haut-parleur principal ( 1) et étant accordée sur ce dernier et une deuxième cavité ( 6) comprenant la paroi commune ( 10) aux deux chambres précitées ( 3 4) et étant accordée sur le haut-parleur auxiliaire ( 2) en ce que la deuxième chambre ( 4) comprend une chambre de compression ( 11) dans laquelle est logé le haut-parleur auxiliaire ( 2) et qui débouche sur une ligne acoustique ( 13) de section croissante et en ce que les deux haut- parleurs ( 1 2) sont choisis de manière qu'ils déplacent le même volume d'air. 2 Enceinte acoustique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ligne acoustique précitée ( 13) est une ligne acoustique repliée constituée par une paroi intérieure de la deuxième chambre ( 4)_ 3 Enceinte acoustique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les caractéristiques des deux haut-parleurs ( 1 2) autres que leurs diamètres sont légèrement différentes. 4 Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la deuxième cavité ( 6) comporte un évent ( 9) débouchant à l'extérieur- Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les évents ( 8, 9) ont une section cylindrique. 6 Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section de l'évent ( 9) de la deuxième cavité ( 6) est approximativement égale au tiers de la surface effective du diaphragme du haut-parleur auxiliaire ( 2)_ 7 Enceinte acoustique selon J/une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section de l'évent ( 8) reliant les deux cavités ( 5. 6) est approximativement égale au tiers de la somme des surfaces effectives du diaphragme des deux haut-parleurs ( 1 2),. 8 Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section de la sortie de la chambre de compression ( 11) est approximativement égale à 0,7 fois la surface effective du diaphragme du haut-parleur auxiliaire ( 2). 9 Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications précédent-es, caractérisée en ce que la section de l'embouchure de sortie ( 12) de la ligne acoustique ( 13) est inférieure au tiers de la surface effective du diaphragme du haut-parleur auxiliaire ( 2). 10 Enceinte acoustique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le volume V de chacune des cavités ( 5 6) est obtenu par la formule: V = S VAS Qts 2 Dans laquelle S correspond au coefficient de surtension de la cavité à la résonance approximativement égal à 6,7 VAS est le volume d'air équivalent à la suspension du haut-parleur considéré et Qts est le coefficient de surtension du haut-parleur considéré.