Brevet FR2827116A1 — publié le 20030110

DISPOSITIF DE PROTECTION DES CONDUCTEURS ET HAUT- PARLEURS CONTRE LES MICRODECHARGES D'INTERFACE (MDI) Les MDI ou Micro Décharges d'Interface ont été identifiées comme l'agent principalement responsable de la dégradation de musicalité des chaînes Haute-Fidélité, pour lesquelles on constate depuis des années une absence complète de corrélation entre les mesures objectives et la musicalité subjective appréciée par un panel d'auditeurs suffisemment avertis, les Audiophiles. L'origine des MDI est la suivante : quand des isolants sont soumis à un champ électrique suffisemment élevé, il se produit des sauts d'électrons dans les isolants recouvrant les conducteurs, et plus particulièrement aux interfaces conducteur-isolant et isolant-air. Il est certain aussi que la présence de vibrations favorise la production de MDI, par effet triboélectrique. L'échauffement du substrat joue également un rôle. Le traitement physique de ces problèmes relève notamment des interactions phonons-électrons, encore mal connues. D'autres phénomènes interviennent dans la production de MDI : on constate par exemple une diminution de l'intensité des MDI avec le temps depuis la mise sous tension du système. Ce fait est bien connu en haute-fidélité où l'on parle de temps de rodage des électroniques. L'hypothèse la plus intuitive dans ce cas est que les sources d'électrons se figent, certains électrons se stabilisant dans un emplacement de moindre énergie. On constate également par expérience une grande variabilité dans la production de MDI par le secteur, notamment en fonction des heures de la journée ou des jours de la semaine, ce qui engendre des différences de rendu sonore dans les chaînes haute-fidélité, qu'on ne s'expliquait pas auparavant, ce phénomène étant bien connu des audiophiles. L'apparition des MDI va donc dépendre : e de la nature de l'isolant, le Polytétrafluoréthylène (PTFE) semblant par exception présenter une immunité supérieure, e de la nature du substrat conducteur, suivant qu'il est plus ou moins émetteur d'électrons (nature, propreté, degré d'oxydation, degré de polissage), * du champ électrique, * de la durée d'application de la tension, * du champ vibratoire, qui est fondamental en technique Audio, et qui peut comprendre les organes tels que transformateurs, moteurs et autres transducteurs. Il est difficile de parler à proprement d'une onde MDI , mais de bouffées à haute fréquence dues à l'oscillation des électrons. Toujours est-t'il qu'une onde ou un ensemble d'ondes prend naissance dans des isolants sous contraine électrovibratoire et va se propager. Le mode de propagation des MDI est le problème fondamental qui a été le plus difficile à appréhender. Finalement, la meilleure hypothèse a été obtenue en utilisant le concept original, dû à Maxwell, des Courants de Déplacement dans les diélectriques. Celui-ci avait supposé l'existence de tels courants dans les isolants pour permettre l'intégration de courant sur des contours toujours fermés, ce qui avait abouti en définitive à l'existence d'ondes pouvant se propager à la vitesse de la lumière : les Ondes Hertziennes Si l'on imagine que ces courants de déplacement sont matérialisés par les oscillations d'électrons mis en cause dans les MDI, rien n'interdit d'imaginer une onde utilisant ces vibrations d'électrons. Le mécanisme serait alors le suivant : les électrons soumis au champ E d'une onde électromagnétique incidente se mettent à osciller, ils engendrent un champ magnétique H qui provoque à son tour des oscillations d'électrons proches, lesquels à leur tour provoquent un champ magnétique, etc. On imagine ainsi que la perturbation va se propager de proche en proche en utilisant des vibrations réelles d'électrons, et non pas le vide comme les ondes électromagnétiques habituelles. Dans le cas de conducteurs nus, les molécules d'air adsorbé, essentiellement l'oxygène et l'azote, forment une couche épaisse de quelques molécules, continue, qui va servir de diélectrique permettant la propagation de l'onde en surface. C'est finalement cette hypothèse qui s'est avérée la plus satisfaisante vis à vis des faits observés, et qui peut être généralisée à toutes les surfaces, conductrices, semiconductrices ou isolantes qui vont servir d'élément de propagation, y compris les membranes de haut-parleurs comme on le verra par la suite. Seules les surfaces dans le vide, exemptes de molécules adsorbées, ne pourront pas servir à la propagation de l'onde : le renouveau actuel des tubes à vide dans le domaine de la hifi est donc partiellement justifié. L'originalité propre des MDI vis à vis des ondes électromagnétiques, et en particulier des ondes de surface, est donc très marquée et explique les difficultés de sa détection : on est en présence d'une onde électromagnétique utilisant pour se propager les courants de déplacement dans la couche limite d'air adsorbé, et donc ne rayonnant pratiquement pas à l'extérieur de cette couche. Elle ne pourront être mises en évidence que par leur action indirecte sur les semiconducteurs ou les membranes des haut-parleurs. Ce mode de propagation va présenter des caractéristiques tout à fait particulières : e sa vitesse est conditionnée par les constantes électromagnétiques du milieu, mais elle reste comparable à celle de la lumière. e l'affaiblissement correspond aux pertes dans le diélectrique, qui peuvent être très faibles, et dans l'air adsorbé, nulles à l'absorbtion près des molécules de C02 ou d'H20 ou autres molécules polaires. le champ électrique est radial, le champ magnétique n'est localisé qu'au voisinage des atomes, ce qui fait qu'il est impossible à détecter en pratique. Quand au champ électrique, sa détection par antenne semble exclue. Par contre, son déplacement d'un milieu à un autre semble extrêmement facile, dans la mesure où il existe toujours au moins de l'air adsorbé et donc des électrons. Elle est rendue moins évidente dans le cas de conducteurs sous vide et spécialement dans le cas des tubes électroniques. Le mode de couplage de l'onde MDI à l'électronique est encore mal connu. Ce que l'on suppose, c'est que l'onde MDI peut s'insinuer sans affaiblissement dans les semiconducteurs dont elle va perturber le fonctionnement. On sait que les semiconducteurs montrent des dérives BF en sortie lorsqu'ils sont simultanément attaqués par le signal BF et par un signal HF parasite très en dehors de leur bande passante. Une autre hypothèse non contradictoire est qu'il y a démodulation du signal porté par l'onde MDI et fortement corrélé avec le signal Audio et/ou les vibrations électrodynamiques du secteur et de ses harmoniques, ou les fréquences d'organes vibrants autres tels que moteurs et transducteurs. Une dernière hypothèse qui semble avoir la sanction de la mesure est que les MDI à la surface de la membrane des haut-parleurs perturbent le fonctionnement en piston de cette membrane sur l'air et causent des distorsions supplémentaires. Le paradoxe fondamental de cette hypothèse est qu'on se trouve en présence d'une onde électromagnétique sensible aux champs électrique, magnétique, et vibratoire, ce que les Audiophiles avaient constaté depuis longtemps. Or il n'est pas possible de justifier l'influence de vibrations sur un transistor sans envisager un intermédiaire mécano-électrique, ce que font parfaitement les MDI. Les conséquences sont évidemment catastrophiques dans le domaine de la Haute-Fidélité dans la mesure où c'est une part du champ acoustique qui va être réinjecté dans l'électronique Audio et dans les haut-parleurs. Les mesures directes du signal électrique basse fréquence sur une chaîne haute-fidélité n'ont pu jusqu'à présent montrer de différences significatives entre éléments traités anti-MDI et non traités alors que les auditeurs entendent unanimement la différence. Ce fait peut s'expliquer par la difficulté des mesures comparatives de signaux musicaux. Par contre, des essais de mesure de signaux acoustiques constants à fréquences fixes ont bien montré des différences, ce qui semble indiquer que le haut-parleur serait également perturbé par les MDI. Le mécanisme serait le suivant : la bobine du haut parleur, pour les haut-parleurs électromagnétiques qui représentent au moins 99% de la production, est une source de MDI particulièrement intense du fait que les enroulements sont soumis à une tension électrique et à un champ vibratoire particulièrement violent, le tout dans un champ magnétique élevé. Les MDI générées au niveau de la bobine vont donc d'une part se propager à la surface externe des câbles de haut-parleurs et aller jusqu'à l'amplificateur, mais aussi se déplacer à la surface de la membrane, en continuant à faire osciller les charges de la couche-limite d'air adsorbé à la surface de ladite membrane. L'hypothèse que l'on est obligé de faire alors est que le contact entre cette couche limite et l'air atmosphérique est rendu inhomogène, ce qui fait que la poussée de'la membrane sur l'air ambiant va être perturbée. Il va en résulter des distorsions particulièrement audibles. A l'appui de cette thèse, il faut noter l'effet Cochet où l'on constate une amélioration nette du son en ayant annulé les charges à la surface de la membrane, à l'aide d'un pinceau souple. Egalement a l'appui de cette thèse, on notera la meilleure musicalité reconnue pour les techniques de haut-parleurs n'utilisant pas directement de bobine mobile : les haut-parleurs ioniques, à chambre de compression, à ruban et surtout les haut-parleurs électrostatiques qui sont reconnus comme des références en matière de musicalité. Si on envisage les solutions, la première idée qui vient à l'esprit est de réduire la mobilité des charges dont les oscillations permettent la propagation de l'onde MDI, en majeure partie les électrons. La méthode la plus simple consiste à appliquer un champ électrostatique d'une intensité choisie pour retenir sur le substrat les électrons reconnus comme majoritairement responsables du phénomène. Le problème est limité par le fait que l'on sait que les phénomènes concernés se passent essentiellement dans la couche limite externe d'air adsorbé. En ce qui concerne les câbles, on va adopter la disposition indiquée figure 1 : La figure 1 représente, en coupe schématique le dispositif proposé. En référence à ce dessin, le dispositif comporte un tronçon de conducteur (1) revêtu par une tresse métallique (2). Cette tresse est elle-même recouverte d'une tresse en matière isolante (3) en bon contact avec la première tresse conductrice. La tresse conductrice est alors reliée à un conducteur au potentiel zéro, à savoir la terre ou la masse locale (4), par une impédance ou drain constituée d'une résistance de l, 5méghom (5) en parallèle avec un élément constitué par une capacité de 18pF (6) en série avec une résistance de 0, 25ohm (7), le tout en série avec une source de tension (8) de 18V+/-9V obtenue par association de piles. Ce drain est destiné à éliminer aussi bien les charges statiques erratique que les parasites hautefréquence, tout en assurant l'application de la tension de polarisation de +18V+/-9V de l'écran constitué par la tresse conductrice par rapport à la masse. On entend par masse aussi bien la connection de terre pour un câble secteur que la connection de masse pour un câble de HP ou de modulation. Ce procédé est applicable à tout type de câble employé dans les techniques Audiovidéo : câbles de modulation, de haut-parleurs, d'antenne, câbles vidéo, liaisons numériques, fibres optiques et câbles secteur. A noter que la même disposition peut être généralisée à tous types de surfaces, le principe consistant : - à polariser les surfaces conductrices en positif pour qu'elles puissent retenir les électrons, - à recouvrir les surfaces isolantes d'un revêtement conducteur, lui même recouvert éventuellement d'une surface isolante ou semiconductrice reconnue pour absorber les très hautes fréquences, dont font partie les MDI. Les valeurs optimales reconnues pour les tensions de polarisation, dans de nombreuses configurations, ont toujours été voisines de 18V à quelques volts près. Comme le seul élément commun à toutes ces expériences était l'air, sous la forme d'air adsorbé en surface, il y a tout lieu de penser que ces 18V correspondent à un optimum spécifique à l'air correspondant au meilleur bilan possible entre la retenue des électrons et l'éjection des ions positifs. En ce qui concerne les haut parleurs, principalement électrodynamiques, plusieurs solutions sont envisageables : La figure n02 représente le premier dispositif proposé, qui consiste à polariser la bobine mobile pour qu'elle fixe ses électrons. En référence à ce dessin, la figure 2 montre que l'on agit sur la bobine mobile (1) en portant son potentiel à +18V+/-9V obtenu par association de piles par rapport à la culasse du haut parleur et spécialement la plaque de champ (2) qui se trouve en face de ladite bobine. Cette tension est appliquée entre une des bornes d'amenée du signal, la borne de référence - par exemple (3) et la plaque de champ (2), par le drain (4) de composition définie précédemment. Une amélioration du procédé consiste à adjoindre devant le haut-parleur une grille métallique (5) acoustiquement transparente qui sera électriquement reliée à la plaque de champ. Ce procédé est également applicable à un microphone de type électrodynamique dont la structure est en tout point équivalente à celle d'un haut-parleur. On appliquera la tension de polarisation précédemment définie par l'intermédiaire du drain entre un point relié à la bobine génératrice, en l'occurence un des contacts/point chaud de sortie, et la grille antérieure du micro reliée au boîtier. La deuxième méthode est indiquée en référence à la figure 3. Conformément à ce dessin, le procédé consiste à rendre conductrice la face avant de la membrane (1) du haut-parleur d'un vernis conducteur (2), par exemple du type de ceux utilisés pour la réparation des pistes conductrices de circuits imprimés. A noter que certaines membranes sont directement métalliques ou métallisées et permettent d'éviter cette première opération. Cette surface sera avantageusement recouverte par une surface (3) permettant d'absorber les hautes-fréquences, à savoir les ondes MDI résiduelles, réalisée par exemple par des vernis de flockage chargés en carbone ou en polymères intrinsèquement conducteurs, réalisant une surface faiblement conductrice. La surface conductrice (2) sera reliée à une borne auxilliaire (4) fixe par une tresse résistante aux vibrations du type de celles utilisées pour le raccordement des bobines mobiles aux bornes de raccordement. Pour une production industrielle, les bornes 10 et 11 purront être confondues. On disposera une grille conductrice (5) acoustiquement transparente à l'avant du hautparleur. qui sera électriquement raccordée à la plaque de champ (6). On appliquera ensuite une tension de 18V+/-9V obtenue par une association de piles (7) par l'intermédiare d'un drain (8) précédemment défini entre la surface rendue conductrice par le vernis (2) et la grille (5) réunie à la plaque de champ (6), - à la grille et + à la surface. conductrice Pour que la bobine mobile (9) puisse bénéficier également de cette polarisation, comme dans la première disposition, on reliera avantageusement une des bornes du haut-parleur (10) à la borne (11) correspondant à la surface métallisée. Dans une version simplifiée du dispositif proposé, on se contentera de métalliser la surface arrière de la membrane, la membrane ellemême jouant alors par sa face avant le rôle de matériau à la fois fixateur des électrons et dissipateur des MDI, la polarisation électrostatique de cette surface étant faite comme précédemment. Cette métallisation pourra être simplement en contact avec l'une des tresses de raccordement de la bobine. Le premier procédé a l'avantage de ne nécéssiter aucune modification du haut-parleur en dehors d'un contact électrique avec la plaque de champ, généralement très facile à réaliser, la plupart des productions actuelles laissant accessible ladite plaque de champ. Pour les autres productions, on se contentera d'un contact avec une partie conductrice accessible de la culasse ou du saladier. Le deuxième procédé demande un traitement de membrane supplémentaire, mais apporte une efficacité supérieure. Sachant que l'élimination des MDI revient à fixer les électrons sur les surfaces à protéger, soit surfaces externes des câbles ou membranes des haut-parleurs, un procédé complémentaire va consister à imposer un champ magnétique constant tangent aux surfaces, de manière à incurver la trajectoire des électrons et limiter leur pouvoir de rayonnement. Ce champ peut être commodément appliqué au moyen d'aimants, comme indiqué en 6 figure 2. Une valeur de champ modérée de 1 à 8mT obtenue localement sur la membrane suffit à obtenir des résultats intéressants, matérialisés par une plus grande dynamique et une meilleure localisation des instruments. Le problème de la durée de vie des piles est réduit par le fait que ces piles ne débitent pas, et donc conservent une tension acceptable très al delà de leur date limite d'emploi ; on peut par exemple utiliser des piles au lithium qui durent plus de 10 ans. Ces différents dispositifs appliqués à une chaîne haute-fidélité de bas de gamme en ont littéralement transfiguré l'écoute, alors qu'aucune intervention n'est faite sur le signal audio lui même. La nocivité des MDI en matière de reproduction sonore ainsi que leur mode de propagation préférentiel en surface, y compris sur la membrane des haut-parleurs, sont donc bier mis en évidence. REVENDICATIONS 10)-Procédé de protection d'une surface en rapport avec un ou plusieurs circuits électriques contre les Microdécharges d'Interface (MDI), caractérisée en ce qu'on utilise un champ électrique constant disposé perpendiculairement à la surface et de sens tel qu'il contrarie la sortie des électrons et charges négatives du support considéré. 20)-Procédé selon revendication 1, le champ électrique constant étant appliqué par l'intermédiare d'une pile ou association de piles permettant 18V+/-9V 3 )-Application mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1 et 2 à un câble électrique, ce câble étant du type utilisé dans les techniques audiovidéo, y compris les câbles secteur, le champ électrique étant appliqué par un écran réalisable sous forme de tresse entourant le câble à protéger. 4 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 3, le champ électrique étant appliqué par une association de piles permettant 18V+/-9V et un drain constitué d'une résistance de l, 5méghom en parallèle avec une résistance de 0, 25ohm elle-même en série avec une capacité de 18pF. L'ensemble pile et drain est raccordé de façon que le + soit raccordé à l'écran métallique et le à la terre ou masse. 5 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 4, la tresse conductrice étant recouverte par une tresse isolante en contact avec elle. 6 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 et 2 à un hautparleur électrodynamique, l'ensemble constitué par une association de piles de 18V+/-9V plus le drain constitué d'une résistance de l, 5méghom en parallèle avec une résistance de 0, 25ohm ellemême en série avec une capacité de 18pF. étant appliqué le + sur une des bornes du haut-parleur, le - sur la plaque de champ ou à défaut le châssis dudit haut-parleur. 7 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon la revendications 6 à un haut-parleur électrodynamique caractérisée en ce qu'une grille conductrice amagnétique acoustiquement transparente placée devant le haut-parleur est électriquement reliée à la plaque de champ dudit haut-parleur. 8 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 et 2 appliquée à un microphone, notamment électrodynamique, par polarisation positive des bobines ou enroulements générateurs par rapport au boitier, l'ensemble constitué par une association de piles de 18V+/- 9V plus le drain constitué d'une résistance de l, 5méghom en parallèle avec une résistance de 0, 25ohm elle-même en série avec une capacité de 18pF. étant appliqué le + sur une des bornes du microphone, le - sur le boîtier dudit microphone. 9 )-Application mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1 et 2 à un haut-parleur électrodynamique, l'ensemble constitué par l'association de piles de 18V+/-9V plus drain constitué d'une résistance de l, 5méghom en parallèle avec une résistance de 0, 25ohm elle-même en série avec une capacité de 18pF. étant appliqué, le + sur une couche conductrice étendue sur une face de la membrane électriquement reliée à une des bornes du hautparleur, le - sur une grille conductrice amagnétique acoustiquement transparente placée devant le haut-parleur et électriquement raccordée à la plaque de champ. 100)-Application mettant en oeuvre le procédé suivant au moins l'une quelconque des revendications 6,7 et 9 à un haut-parleur électrodynamique, la polarisation statique étant complétée par un champ magnétique de 1 à 80mT à lignes de force perpendiculaires au champ électrique et tangentes aux membranes à protéger contre les MDI par tous moyens convenables tels qu'un ou plusieurs aimants.