Brevet FR2674718A1 — publié le 19921002

i PROCEDE DE FABRICATION D'UNE MEMBRANE DE HAUT-PARLEUR ELECTRODYNAMIQUE A PERTES INTERNES ELEVEES ET A GRANDE RIGIDITE La présente invention se rapporte au domaine des haut-parleurs électrodynamiques et plus spécifiquement aux membranes ou diaphragmes constituant la partie acoustiquement active de ces appareils. L'invention a pour but en particulier un procédé de fabrication desdites membranes leur conférant des qualités de réponse linéaire en fréquences et une faible distorsion dans toute la bande de fréquence des sons audibles. On commencera d'abord par rappeler les propriétés souhaitables d'un matériau constituant une membrane de haut- parleur électrodynamique pour obtenir une restitution aussi fidèle et propre que possible du message acoustique transmis sous forme de courant électrique à la bobine excitatrice de la membrane du haut-parleur. En effet, un haut-parleur électrodynamique est presque toujours constitué d'une membrane ou diaphragme, suspendu élastiquement à sa base par une suspension externe en mousse ou en polyuréthane; cette membrane est mise en mouvement par action d'une bobine électrique parcourue par le courant excitateur sur un support cylindrique conducteur dont elle est solidaire et apte à coulisser plus ou moins dans cette bobine en fonction du courant qui la parcourt. La première qualité du matériau constituant la membrane est la légèreté ou la faible masse spécifique En effet, l'énergie transmise à la membrane étant relativement faible, un bon rendement acoustique suppose que celle-ci est susceptible d'être mise en mouvement correctement par cette énergie relativement faible On a donc intérêt à ce que les mouvements de la membrane opposent une inertie aussi faible que possible à l'action électromagnétique de la bobine inductrice. Un diaphragme idéal doit avoir une réponse linéaire en fréquence, c'est-à-dire ne pas introduire de fréquences parasites par rapport aux modulations du courant excitateur et pouvoir, d'autre part, lorsqu'elle est sollicitée, se déplacer comme un piston indéformable qui produit les sons acoustiques par mise en vibration de la masse d'air déplacée par la membrane Le matériau constitutif de cette membrane doit donc présenter une grande rigidité en flexion pour éviter que des déformations n'apparaissent notamment à des fréquences inférieures à la fréquence de résonance de la membrane La rigidité ou raideur du matériau est liée à son module d'élasticité et c'est pourquoi le matériau idéal pour une telle membrane doit être doté d'un module d'élasticité élevé. D'autre part, pour éviter que la fréquence de résonance propre de la membrane ne se situe dans le domaine des fréquences audibles, on cherche à rejeter celle-ci au-dela de ce domaine en utilisant des matériaux pour lesquels la vitesse du son est la plus élevée possible Or, la vitesse du son dans un matériau est proportinnelle àV Fs formule dans laquelle E est le module d'élasticité et f la densité C'est une autre raison pour laquelle il est nécessaire de choisir pour le membranes de haut-parleur des matériaux ayant un module d'élasticité E aussi élevé que possible. Enfin les matériaux constitutifs d'une membrane de haut- parleur électrodynamique doivent présenter des pertes internes 1 très élevées de façon à amortir au maximum les pics et les creux éventuels de vibration Lorsque dans le domaine des fréquences élevées, le diaphragme ne se comporte plus comme un simple piston rigide équivalent mais comme un corps vibrant avec ses modes et ses fréquences propres. Or, il est bien connu des spécialistes que Les impératifs précédents sont complètement contradictoires car un matériau très rigide présente en général peu de pertes internes et réciproquement. C'est la raison pour laquelle, un matériau idéal n'existant pas, on a eu recours jusqu'a maintenant à des solutions de compromis et notamment à des diaphragmes composites. IL se trouve que pour les haut-parleurs d'aigus (en terminologie anglo-saxonne "tweeter") il existe la possibilité de recourir à des membranes métalliques en aluminium, béryllium ou titane dont les valeurs du coefficient r-/' sont favorables bien que les pertes internes aient une valeur très faibles. D'une façon plus générale, pour réalier un compromis entre Les valeurs souhaitables des coefficients Vîf et on a cherché à produire des diaphragmes en matériau composite Par exemple les polymères chargés en graphite sous forme de particules fines de graphite dispersé dans une matrice de polymère présentent des propriétés favorables. IL en est de même pour les polymères armés de fibres de verre, ou pour la combinaison de polymères à haute performance, associés à des particules rigides de silice comme le matériau connu sous la marque Kev Lar. Les structures plus complexes en nid d'abeilles recouvertes d'autres produits ont été également utilisés. IL se trouve que dans presque toutes les solutions composites antérieures, on a priviliègé l'idée qui consiste à réaliser la membrane sous forme d'un piston rigide auquel on associe des produits susceptibles d'augmenter Le faible coefficient de pertes internes Ce point de vue fondamental a prévalu jusqu'à nos jours et les hommes de l'art n'avaient jamais pensé qu'il était possible d'obtenir des performances encore accrues en renoncant à ce préjugé admis par tous les spécialistes. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de membranes de haut-parleur sous forme de matériaux composites qui permet de trouver un bon compromis entre le facteur d'amortissement et le module spécifique en partant d'une matrice à pertes élevées et à rigidité pratiquement nulle. Ce procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité, se caractérise en ce que l'on forme une matrice, ayant la forme voulue pour le diaphragme, par compression à froid de paillettes de graphite expansé dans un moule de graphite, puis en ce que L'on raidit ensuite cette matrice par formation, au moins en surface, de composés à haut module spécifique déposés en couches denses. En associant dans un composite une matrice à très faible rigidité et à pertes élevées avec un corps raidisseur, le demandeur a démontré qu'i L était possible, en choisissant cette option contraire à l'enseignement des spécialistes, de fabriquer des membranes de haut- parleurs électrodynamiques dont la qualité de réponse impu Lsionnelle et l'amortissement étaient de l'ordre de 50 % au moins supérieurs aux valeurs obtenues avec les techniques de l'art antérieur. Les paillettes de graphite expansé sont un produit maintenant bien connu des métallurgistes et obtenu par ce qu'on appelle la chimie d'intercalation qui consiste à introduire des substances étrangères entre les feuil Lets constituant le graphite puis à soumettre le complexe ainsi créé à un choc thermique qui fait exploser la structure hexagonale de ce graphite Il se crée alors un composé expansé sous la forme d'une sorte de neige noire extrêmement légère dont les flocons ont la capacité de s'agglomérer entre eux très facilement et d'une manière uniforme par simple compression à froid Ces techniques et le produit résultant ont été décrits notamment dans le volume 17 d'Octobre 1986 de la Recherche, pages 1184 et suivantes, sous le titre "La chimie d'intercalation" par Jean Rouxel On citera également le compte-rendu du deuxième colloque international sur l'étanchéité qui s'est tenu à la Baule du 18 au 20 Septembre 1990 et qui décrit les propriétés de ce graphite souple en paillettes. Selon une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, les composés à haut module spécifique sont choisis parmi le carbure de bore B 4 C, le carbure de silicium Si C, le carbure de titane Ti C, le nitrure de titane Ti N, et le nitrure de bore BN et le dépôt a lieu par dépôt en phase vapeur, chimique ou physique, éventuellement assisté par plasma. Les dépôts chimiques en phase vapeur, qu'ils soient du type simple ou du type assisté par plasma, sont particulièrement adaptés à cette étape du procédé, car ils permettent de contrôler la cinétique d'infiltration en profondeur de la matrice carbonée poreuse par le composé à haut module spécifique. Des dépôts physiques en phase vapeur peuvent également être utilisés si l'on se contente de réaliser des couches superficielles plus ou moins épaisses sur La matrice carbonée, qui pourront d'ailleurs être déposées sur l'une seule ou sur les deux faces du diaphragme Quoi qu'il en soit, cette opération de dépôt d'un composé à haut module spécifique est fondamentale dans l'invention puisque c'est elle qui permet notamment de rejeter la fréquence de résonance propre du haut-parleur en dehors du domaine audible. Les composés à haut module spécifique qui contiennent du carbone comme par exemple les carbures Si C que l'on obtient à partir du méthyltrichlorosilane en présence d'hydrogène H 2 ou du type carbure de bore (obtenu à partir de chlorure de bore en présence de CH 4 et H 2 à une température de l'ordre de 1000 à 1400 C) ou à base encore de chrome dopé au carbone, sont particulièrement intéressants en raison de leur caractéristique de bonne adhésion sur les matrices carbonées de base. On décrira maintenant à titre illustratif et non limitatif un exemple d'application industrielle du procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique objet de l'invention. Dans l'exemple décrit, il s'agissait de réaliser un diaphragme de haut-parleur pouvant fonctionner dans le domaine de fréquences de 1000 à 20000 Hz Conformément à l'invention, le produit de départ pour former la matrice de base est constitué de flocons de graphite expansé dont on contrôle de poids et que l'on introduit dans un moule de graphite pour les soumettre à froid à une opération de compression sous une pression inférieure à 10 M Pa. On obtient ainsi un dôme en paillettes de graphite aggloméré dont l'épaisseur peut varier, en fonction du poids des flocons et de la pression exercée, entre 0,2 et 0,5 mm et la densité entre 0,2 et 1 g/cm 3. L'étape suivante qui consiste à déposer à la surface de la matrice précédente un revêtement de carbure de bore B 4 C pour créér la rigidité de La membrane est réa Lisée à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma entre 800 et 1000 C à partir d'un mélange de BCL 3, CH 4 et H 2 L'épaisseur du revêtement ainsi déposé est comprise entre I et micromètres. L'examen acoustique de la membrane ainsi réalisée montre un diagramme de réponse impulsionnelle traduisant l'obtention de l'amortissement en 1,13 microseconde de cette membrane dans un intervalle de fréquences compris entre 1000 et 15000 Hz Ceci signifie par conséquent que la "traînée" d'une impulsion comprise dans cette fréquence est réduite de plus de 50 % par rapport à ce qu'elle est dans les membranes de l'art antérieur puisqu'elle est couramment, dans le même domaine, de l'ordre de 2,5 microsecondes. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes éLevées et à grande rigidité, caractérisé en ce que l'on forme une matrice, ayant la forme voulue pour le diaphragme, par compression à froid de paillettes de graphite expansé dans un moule de graphite, puis en ce que l'on raidit ensuite cette matrice par formation, au moins en surface, de composés à haut module spécifique déposés en couches denses. 2 procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composés à haut module spécifiques sont choisis parmi le carbure de bore B 4 C, le carbure de silicium Si C, le carbure de titane Ti C, le nitrure de titane Ti N, et le nitrure de bore BN et en ce que le dépôt a lieu par dépôt en phase vapeur. 3 Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dépôt est un dépôt chimique, éventuellemente assisté par plasma. 4 Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que la formation de composés à haut module spécifique a lieu également dans la masse de la matrice. Membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une matrice de paillettes de graphite expansé, raidie, au moins en surface, par apport d'un composé à haut module spécifique.