Brevet FR2649572A1 — publié le 19910111

DISPOSITIF DE REPRODUCTION SONORE POUR TELEVISEURS L'invention concerne un dispositif de reproduction sonore pour téléviseurs et notamment pour téléviseurs de grandes dimensions. La dimension des écrans de télévision tend aujourd'hui à augmenter, du fait que la définition spatiale de l'image tend à augmenter. Dans la génération des téléviseurs à venir, la définition verticale est augmentée de près de 40 96 en utilisant un balayage progressif et une interpolation entre lignes successives (IDTV : Improved Definition Televislon), sans que le standard de transmission (NTSC, PAL, SECAM) n'ait été changé. Dans la génération suivante, dite HDTV (High Definition Television), la définition sera doublée en vertical comme en horizontal, par utilisation d'un nouveau standard. La conséquence est que la surface d'écran peut être quadruplée pour une même distance de vision, ce qui conduit à des surfaces d'environ 1 m2. La technologie du tube cathodique ne peut être étendue å de telles surfaces d'écran (poids, profondeur, coût) c'est pour cette raison que l'on assiste à l'éclosion des technologies d'écrans plats (écrans muraux) et au développement des technologies digitales ; néanmoins, aucun nouveau dispositif de reproduction sonore n'a été proposé qui permette au spectateur de profiter simultanément des améliorations de l'image et du son. La solution proposée ici optimise la reproduction sonore des téléviseurs de grandes dimensions ; elle prend en compte les éléments suivants - Le spectateur a les yeux, donc les oreilles, dans ie plan horizontal passant par le centre de l'écran. C'est pour cette raison que les écrans de rétroprojecteurs sont directlfs, avec un grand angle de dispersion en horizontal (typiquement à + 60 0) et un angle de dispersion vertical réduit (+ 15 à 250). La "scène sonore" doit aussi être, selon l'invention, focalisée dans un volume de même type, (volume utile), ce qui a pour avantage que la puissance sonore est moindre en dehors de la zone utile que dans le cas d'une source sonore ponctuelle (omnidirectionnelle) ; pour une même puissance sonore dans le volume utile, la puissance acoustique fournie par une source focalisante est moindre que dans le cas d'une source ponctuelle. - Les écrans à venir étant de grandes dimensions, il n'apparaît pas souhaitable que le téléviseur se voit encore élargi par des enceintes acoustiques placées de part et d'autre de l'écran, afin de reproduire un son stéréophonique. De ce point de vue, des sources sonores très étroites (1 à 2 cm) placées de part et d'autre de l'écran seraient les bienvenues. - En stéréophonie, l'effet de localisation spatiale des différentes sources de la scène sonore provient des fréquences moyennes et élevées (supérieures à quelques centaines de Hertz), il suffit que les hauts parleurs latéraux reproduisent cette bande de fréquence. L'invention concerne donc un dispositif de reproduction sonore pour téléviseur, caractérisé en ce qu'il comporte - un écran de visualisation de forme rectangulaire ou carrée disposé dans un plan (xOy), deux côtés horizontaux de l'écran étant parallèles à une direction Ox du plan, ce plan étant disposé perpendiculairement à un axe (Oz) passant par le centre de l'écran, un observateur étant placé de façon à avoir son visage (yeux et oreilles) situé sensiblement dans un plan médian (xOz) de l'écran contenant ledit axe (Oz) et étant parallèle à la direction (Ox) - au moins une source acoustique linéaire disposée le long d'un côté vertical de l'écran perpendiculaire à la direction (Ox), cette source acoustique rayonnant principalement dans le plan médian (xOz) de l'écran et focalisant à une distance inférieure à la distance normale de vision de l'écran de visualisation. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation du dispositif de reproduct30n sonore de l'invention dans un téléviseur classique à écran d'affichage direct - la figure 2, un exemple de réalisation du dispositif de reproduction sonore de l'invention dans un téléviseur à écran mural - la figure 3, une vue en perspective d'un exemple de réalisation du dispositif de l'invention;; -la figure 4, des diagrammes de directivité d'une source acoustique linéaire - les figures 5a à 5f, différents diagrammes de directivité de sources acoustiques linéaires pour différents nombres de sources et différentes hauteurs de sources - la figure 6, un tableau donnant les distances normales de vision d'un téléviseur - les figures 7a à 7d, un exemple de réalisation d'un haut-parleur linéaire - les figures 8 et 9, un porte-voix à pavillon étroit - les figures 10 et 11, des exemples de réalisation de l'invention utilisant des pavillons étroits. Les figures 1 et 2 représentent deux exemples de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un téléviseur classique à vision directe avec de part et d'autre de l'écran des hauts parleurs linéaires 2 et 3 incorporés sur la face avant du boîtier 6 du téléviseur. Ls figure 2, représente un téléviseur à écran mural avec de part et d'autre de l'écran 1, des hauts parleurs 2 et 3. Par exemple, les hauts parleurs peuvent être fixés au mur 10 comme cela est le cas pour le haut parleur 2 ou être posés sur pieds comme cela est le cas pour le haut parleur 3. La figure 3 représente la position relative des différents éléments les uns par rapport aux autres. L'écran de visualisation (ou d'affichage) est placé selon un plan xOy avec ses côtés verticaux 11 et 12 parallèles à la direction Oy. Si on considère le plan médian H de l'écran 1 contenant le centre 0 de l'écran, l'axe Ox et l'axe Oz perpendiculaire au plan xOy, un observateur 4 doit, pour obtenir une bonne vision de l'écran et une bonne écoute du son émis par les hauts parleurs 2 et 3, se placer de telle façon que ses yeux donc également ses oreilles soient dans le plan H. De préférence, il se placera selon la normale (axe Oz) au plan de l'écran. De plus, il est connu qu'une bonne vision de l'image affichée est obtenue, selon la définition de l'image, lorsque l'observateur se place à une distance minimale de l'écran, ctest-à-dire ne se place pas trop près de l'écran. Selon l'invention, les sources linéaires sont donc adaptées de façon à obtenir une focalisation du son, dans le plan médian H, à une distance inférieure à la distance minimale d'observation de l'écran. Les sources acoustiques linéaires utilisées dans le dispositif de l'invention sont des sources continues, par opposition à des sources discontinues, constituées par l'alignement d'éléments discrets : une source acoustique linéaire utilise un seul transducteur dont le rapport hauteurXlargeur peut être compris entre 10 et 100, et non pas plusieurs transducteurs alignés, comme dans le cas des colonnes sonores. Selon l'invention, ces sources linéaires émettent les fréquences moyennes et élevées Pour les basses fréquences on prévoit donc un haut parleur "grave" dont la position importe peu. Cette disposition convient bien à la reproduction sonore stéréophonique car en stéréophonie, les basses fréquences sont sensiblement les mêmes dans les deux canaux stéréophoniques. Les deux hauts parleurs linéaires 2 et 3 n'ont donc pas besoin de produire les basses fréquences, il suffit, pour celles-ci, d'un haut parleur "grave" supplémentaire tel que 5 sur les figures 1 et 2. La largeur 1 de la source linéaire est choisie égale au plus à la longueur d'onde #min de la fréquence la plus élevée f max ; soit f max = 16 kHz A min = 330/16.10 # 2 cm 1 4 2 cm Dans ces conditions, comme cela est représenté en figure 4, la source ne présente pas de directivité horizontale. Au contraire, la hauteur h de la source sera choisie égale au moins à la longueur d'onde max de la fréquence la plus basse f min ; soit f min = 600 Hz A max = 330 = 55 cm 600 h > 55 cm Pour Comme le montre les figures 5a à 5f (extraite de "ACOUSTICS", LL. BARANEK, MC GRAW HILL 1954), la directivité d'une source linéaire est supérieure à celle de deux sources distantes de la hauteur de la source linéaire, et est plus régulière (moins de lobes secondaires) que celle de 4 sources régulièrement réparties sur la même hauteur. Les figures Sa à 5c représentent les diagrammes de directivité dans le plan vertical de colonnes acoustiques disposées verticalement, de hauteur sensiblement égale à 1 longueur d'onde de la fréquence la plus élevée émise, et constituées de la façon suivante - figure Sa : une source linéaire de hauteur h - figure 5b : quatre sources également réparties dans une colonne acoustique de hauteur h - figure 5c : deux sources distantes de b Les figures 5d à 5f représentent les diagrammes de directivité des colonnes acoustiques de hauteur sensiblement égale à la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée émise et constituées comme suit - figure 5d une source linéaire de hauteurs h # 2 A - figure 5e : quatre sources également réparties dans une colonne acoustique de hauteur h~ 2 X - figure 5f : deux sources distantes de b 2 X Un téléviseur doit être regardé, donc écouté, à une distance supérieure ou égale à celle pour laquelle la définition spatiale de l'image correspond à l'acuité visuelle, soit D min. Soit un standard définissant N lignes, sur un écran de hauteur h. L'acuité vlsuelle étant définie par la résolution angulaire de l'oeil x (=1,5') la distance minimum de vue est donnée par a = H/N/Dmin D min = H/N a A la distance D min au téléviseur, la condition de champ lointain doit être satisfaite pour que se produise l'effet de focalisation acoustique caractéristique des sources linéaires ; en prenant pour exemple une hauteur de source linéaire égale à celle de l'écran (h=H), les tableaux de la figure 5 montrent les distances D min, pour deux tailles d'écran dans deux formats. Dans cet exemple, la condition de champ lointain est satisfaite pour le format actuel (D min ~ 6H), et est à la limite d'être satisfaite en télévision haute définition HDTV (Dmin 3H).De même, les hauteurs envisagées sont comprises entre 43 et 90 cm, ce qui donne respectivement pour fréquences de coupures basses 330/0,43 = 770 Hz et 330/0,9 = 370 Hz, c'est-à-dire dans la gamme de fréquences où le raccordement A un seul haut parleur grave central est possible. Les sources acoustiques linéaires sont réalisées aujourd'hui soit dans la technologie du haut parleur à ruban, soit dans celle du haut parleur électrostatique Ces types de hauts parleurs sont en général coûteux, du fait qu'ils nécessitent des transformateurs adaptateurs d'impédance, et que leur fabrication est elle-même onéreuse. Les sources acoustiques linéaires pouvant être réalisées à partir de technologies conventionnelles. La technologie conventionnelle permet par exemple d'snimer des membranes planes, qui sont à la fois rigides et légères (croisillons "nids d'abeille" réalisés en polymère expansé, pris en sandwich entre deux feuilles minces d'alumlnium). Un haut parleur linéaire dans cette technologie utilise une membrane de ce type en forme de bande (2 cm x 50 cm), raccordée à un cadre par un joint souple périphérique. Cette membrane porte une nervure, réalisée en même matériau, sur sa face antérieure, le long de sa grande dimension, afin d'en assurer la frigidité. Cette membrane peut être animée par un, ou plusieurs (2 à 4) moteurs en technologie conventionnelle (symétrie de révolution), dont les bobines mobiles sont solidaires de la membrane via la nervure. Ces moteurs sont excités en phase (parallèle ou série). Les figures 7a à 7d représentent un tel haut parleur linéaire à deux moteurs. La figure 7a est une représentation en vue de face, la figure 7b est vue en coupe aa, la figure 7c est une vue en coupe bb et la figure 7d, une vue en coupe cc. On -trouve sur ces figures la membrane 20 du haut parleur montée sur un châssis 21 par l'intermédiaire d'un joint souple 22. La membrane 20 possède une nervure 23. Des moteurs tels que 24 et 5 permettent de commander la membrane 20 par I'intermédiaire de bobines mobiles 26 et 27 solidaires de la nervure donc de la membrane 20. Des orifices de décompressions tels que 28 permettent la circulation de l'air dans le châssis 21. L'ensemble d'un tel haut parleur a sensiblement la hauteur h d'un téléviseur auquel il est associé. Selon un autre mode de réalisation, un haut parleur linéaire, tel qu'utilisé dans le cadre de l'invention, peut être réalisé sous la forme de plusieurs hauts parleurs alignés Le haut parleur est alors constitué de plusieurs hauts parleurs longilignes alignés de caractéristiques identiques, fonctionnant en synchronisme, et adaptés pour constituer ensemble une source acoustique linéaire. Pour qu'il y ait adaptation, les membranes des hauts parleurs alignés sont jointives ou quasi-jointives. De plus, leur réponse aux basses fréquences tient compte d'un fonctionnement en couplage acoustique. De cette façon, les hauts parleurs alignés constituent mécaniquement ou acoustiquement une source linéaire sans interruption et la conception de chaque haut parleur tient compte que l'ensemble de hauts parleurs alignés est en couplage acoustique. Les hauts parleurs miniaturisés à large bande sont très peu répandus (sauf quelques modèles de très haut de gamme), car il est très difficile de concilier tenue en puissance et large bande. La constitution d'une ligne acoustique utilisant n hauts parleurs miniatures à large bande est possible, car la puissance à fournir pour chacun des hauts parleurs est divisée par n. La contrainte imposée à une source acoustique large bande par rapport à une source limitée au registre médium-aigu est que sa surface totale soit suffisante pour reproduire les fréquences basses (pression acoustique proportionnelle à s. u w s : surface émissive u : déplacement du piston w : fréquence En admettant que dans le cas de la solution à 3 voies de la figure I (1 seule voie grave pour les deux canaux), la voie. grave soit reproduite par un HP de diamètre D, la surface de chacune des deux lignes acoustiques "large bande" est SL = 1/2 ir D2/4 (à déplacement u constant) soit, pour chaque HP constituant la ligne Exemples :D = 13 cm, n = 4 dHp= 4,1 cm, 5HP = 16,6 cm2 D = 21 cm, n = 6 dHP = 5,4 cm . 5HP =-28,8 cm2 Si le déplacement admissible uHP des hauts parleurs miniatures est x fois plus faible que celui du haut parleur unique, leur surface 5HP doit être multipliée par x à u constant, ou leur nombre n est multiplié par x à uHP constant. De plus, l'impédance électrique de cette ligne de n hauts parleurs doit rester dans la limite des impédances admissibles par les amplificateurs (4 à 10 npour 8 nominal, 2 à 6 pour 4 Rnominal) Exemple : pour n = 4 On obtient une combinaison idéale par mise en parallèle de deux groupes de hauts parleurs montés en série l'impédance de cette combinaison est égale à celle des HP élémentaires (cas identique : n = 9). pour n = 6 On obtient une combinaison admissible : mise en parallèle de trois groupes de deux hauts parleurs montés en série (impédance = 2/3 de celle des hauts parleurs des élémentaires). pour n = 3 Ce cas est difficile 3 hauts parleurs en série, d'impédance = 1/3 impédance nominale . 3 hauts parleurs en parallèle, d'impédance 2 à 3 fois l'impédance nominale 1 haut parleur d'impédance z1, en parallèle avec deux hauts parleurs, d'impédances z2. L'équirépartition de puissance entre les trois hauts parleurs impose z1 = 4 z2. L'impédance Z de la combinaison est alors 3/2 z2. Pour Z 8 8 Q, il faut z2 # 5 Sk , z1 20.# . 1 haut parleur d'impédance z'1, en série avec deux hauts parleurs en parallèle, d'impédance Z'2 Equirépartition de puissance Z'1 = Z' Impédance de la combinaison : 2/3 z'2 Pour Z = sn= 2/3 z'2 z'2 = 12 fl Z1= 3 Enfin, cette source acoustique large bande peut être couplée à une cavité arrière, afin d'éviter le court circuit acoustique avant/arriere, de renforcer éventuellement les basses fréquences par des effets de résonance judicieusement calculés, et de limiter les vibrations des circuits et composants équipant le téléviseur (enceintes acoustiques closes, enceintes a event bass reflex -). En première approximation, le volume de cette cavité est n fois le volume de la cavité qui accorderait un des HP élémentaires sur la même fréquence. Chacune des deux lignes peut être couplée à sa cavité individuelle ; de même les deux lignes peuvent être couplées à une seule cavité (de volume double). Les solutions préférées pour ces enceintes sont celles dont certaines parois font parties des parois du coffret (cabinet) du téléviseur : on minimise ainsi le nombre de cloisons internes au téléviseur délimitant les enceintes, et l'on exploite au mieux le volume interne disponible. Dans le cas d'enceintes à évent(s), ceux-ci seront placés de préférence A l'arrière du téléviseur, voire sur les flancs. Les avantages supplémentaires de cette solution sont, par rapport A la source linéaire "medium-aigu": - très grande cohésion sonore (respect de la phase), due à l'absence de "raccords" (acoustiques et électriques) entre différentes sources acoustiques - absence de composants de filtrage entre hauts parleurs et amplificateur (gain sur le nombre total de composants, exploitation optimum de la puissance de l'amplificateur, impédance variant "doucement" avec la fréquence donc garante de la stabilité de l'amplificateur). Selon un autre exemple de réalisation les hauts parleurs 2, 3 de la figure 1 sont réalisés sous la forme de porte-voix ou mégaphone du type de ceux utilisés par les entraineurs d'équipes de foot-ball ou de rugby, etc ... Un tel porte-voix est représenté par les figures 8 et 9. I1 comporte un pavillon étroit de façon à focaliser le son à hauteur des oreilles des joueurs. L'épaisseur du porte-voix est sensiblement adaptée à la bouche de l'entraineur. La directivité peut être contrôlée à hautes fréquences par la courbure de la bouche du pavillon. La directivité est maximale pour une bouche représentée par la sortie en pointillés de la figure 8. Elle est réduite pour la sortie en arc de cercle. Dans le cas le plus courant des pavillons exponentiels (croissance de la section, de la gorge à la bouche en emX) la fréquence de coupure basse est f = mc/4 lr c (c= vitesse du son) pour un pavillon de longueur infinie. La condition "pavillon infini" se trouve en grande partie satisfaite dès que la hauteur de la bouche atteint 0,5 à 1 c. Ainsi pour 50 cm de haut, la fréquence de coupure se situe entre 300 et 600 Hz ; elle est bien adaptée au raccord avec une voie grave non directive.Le facteur d'accroissement exponentiel m est alors m = 4tRfc/c, avec f = c/ Ac c c m = 4R-/r = = 12 (fc = 300 Hz) enX = 50/5 = 10 x = 2,3/12 m = 20 cm De tels pavillons, avec des largeurs de quelques centimètres, sont logeables dans le téléviseur, de part et d'autre de l'écran. La figure 10, représente un poste de télévision tel celui de la figure 1, utilisant comme hauts parleurs linéaires des pavillons. Sur la figure 10 on a représenté que le coffret 6 du téléviseur et les hauts parleurs 2, 3, 5. Les pavillons 29, 39 des hauts parleurs qui en raison de leur forme évasée et plane sont plaqués sur les parois latérales du coffret 6 avec leurs ouvertures de sortie situées sur la façade du coffret. Les moteurs 28 et 38 des hauts parleurs sont situés au fond du coffret. St la profondeur du coffret 6 ne permet pas de loger ces hauts parleurs, l'invention prévoit comme cela est représenté en figure 11 de recourber les pavillons 29 et 39 de telle façon que les parties recourbées 29' et 39' des pavillons permettent de loger les moteurs 28 et 38 des hauts parleurs vers le milieu du coffret 6. Le haut parleur 5 est utilisé en voie centrale et 'effeCtue la somme des voies gauche et droite pour les fréquences inférieures à 300 Hz, tandis que les hauts parleurs 2 et 3 sont utilisés en voies gauche et droite pour les sons aigus et médiums, selon l'exemple de réalisation de la figure 10, le haut parleur 5 rayonne par la face inférieure du coffret de télévision ce qui permet de n'avoir de pratiquement visible, en vue de face du téléviseur, que l'écran de télévision et le cadre (pourtour) du coffret. Une telle réalisation permet d'obtenir ainsi un poste de télévision dont les dimensions du coffret sont très peu supérieures à celles de l'écran de visualisation, à l'épaisseur des parois du coffret et l'épaisseur des hauts parleurs (2 à 3 cm) près. I1 est bien évident que la description qui précède a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variante s peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les exemples numériques indiqués n'ont été fournis que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1. Dispositif de reproduction sonore pour téléviseur, caractérisé en ce qu'il comporte - un écran de visualisation (1) de forme rectangulaire ou carrée disposé dans un plan (xOy), deux côtés horizontaux de l'écran étant parallèles à une direction Ox du plan, ce plan étant disposé perpendiculairement à un axe (0z) passant par le centre de l'écran, un observateur (4) étant placé de façon à avoir son visage (yeux et oreilles) situé sensiblement dans un plan médian (H) de l'écran contenant ledit axe (0z) et étant parallèle à la direction , (0x) - au moins une source acoustique linéaire (2) disposée le long d'un côté vertical (12) de écran (1) perpendiculaire à la direction (Ox), cette source acoustique rayonnant principalement dans le plan médian (x0z) de l'écran et focalisant à une distance inférieure à la distance normale de vision de l'écran de visualisation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux sources acoustiques linéaires (2, 3) disposées de part et d'autre de l'écran (1) parallèlement aux côtés verticaux (12, 13) de l'écran. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source acoustique (2, 3) comporte au moins un transducteur dont le rapport hauteur/largeur est compris entre 10 et 100. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la source acoustique (2, 3) est au plus égale A la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée que cette source doit émettre. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de la source acoustique (2, 3) est au moins égale à la longueur d'onde de la fréquence la plus basse que cette source doit émettre. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs hauts parleurs alignés de caractéristiques identiques, les membranes des différents hauts parleurs étant jointives ou quasi-jointives, les différents hauts parleurs alignés étant conçus pour être en couplage acoustique. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce outil comporte un haut parleur de graves (5). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source acoustique comporte une membrane (20) de forme allongée commandée par au moins deux moteurs (24, 25) commandés en synchronisme. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source acoustique comporte un pavillon (29, 39) de forme évasée et d'épaisseur réduite dont l'ouverture est située de part et d'autre de l'écran (1). 10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'écran de visualisation et les hauts parleurs sont montés dans un coffret (6), caractérisé en ce que le pavillon (29, 39) est plaqué contre une paroi latérale du coffret. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux hauts parleurs munis chacun d'un pavillon, chaque pavillon étant plaqué sur une paroi latérale du coffret.