Brevet FR2831385A1 — publié le 20030425

DISPOSITIF DE PROTECTION DES CONDUCTEURS ET LECTEURS DE DISQUES NUMERIQUES 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 ou autres charges 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 : 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. Néanmoins, si le haut-parleur apparaît comme le révélateur de la pollution par MDI, les principales sources de pollution sont : - le secteur à 230V-5OHz, - les bobines des haut-parleurs, - les disques compacts audiovidéo (CD, SACD, DVD, etc...) Les câbles ont une importance fondamentale car ils servent d'éléments de propagation aux ondes MDI. Comme la protection des câbles et des hautparleurs a déjà fait l'objet de dépôts antérieurs, nous allons nous limiter ici à la protection des câbles et des lecteurs de disques numériques par application de champs magnéto- électriques. 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 ions oxygène et les électrons. 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. La méthode la plus simple consiste à appliquer un champ électrostatique normal à la surface à protéger et d'une intensité choisie pour retenir sur le substrat les charges reconnues comme majoritairement responsables du phénomène. Il semble que les charges mises en cause soient les électrons et les ions oxygène 0-. Ce champ électrique va être complété d'un champ magnétique tangent aux surfaces à protéger, et donc perpendiculaire au champ électrique initial. Ce champ magnétique va plus particulièrement s'appliquer aux électrons dont les trajectoires auront tendance à s'enrouler autour des lignes de flux du champ magnétique, ce qui les empêche de rayonner et donc limite la propagation des MDI. 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 1, 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. Le champ électrique va être complété d'un champ magnétique (9) appliqué par un ou plusieurs aimants toriques assurant localement un champ magnétique tangent aux surfaces de valeur comprise entre 2 et 80mT. 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 charges électriques négatives et autres électrons, - à polariser les écrans et blindages périphériques éventuels en négatif, de manière à repousser en surface les charges négatives, - à créer un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique initial, et donc tangent aux surfaces à protéger, de manière à enrouler la trajectoire des électrons au voisinage de la surface et ainsi empêcher leur rayonnement. Les valeurs optimales reconnues pour les tensions de polarisation, dans de nombreuses configurations, ont très souvent été voisines de 18V. 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 charges négatives et l'éjection d'ions positifs. En ce qui concerne le champ magnétique, des valeurs de 2 à 80mT ont donné de bons résultats. Les applications les plus avantageuses de cette technique ont concerné en particulier les filtres (secteur, modulation, haut-parleurs) qui ont fait l'objet de dépôts antérieurs. Une application particulièrement avantageuse concerne les lecteurs de disques numériques de type compacts (CD) et disques vidéo (DVD), sans exclure tous les supports tournants numériques comme le mini-disque. En effet, il est rapidement apparu que ce type de support tournant à grande vitesse constituait un générateur de MDI particulièrement puissant, capable de polluer l'ensemble de la chaîne. Ce processus est certain dans la mesure où l'on constate de grandes différences dans le rendu sonore des lecteurs alors que les mesures ne montrent aucune différence au niveau du contenu numérique lu, et même des différences non significatives en ce qui concerne le signal analogique. En fait, l'onde MDI générée par le disque en rotation ne se mélange absolument pas au signal BF utile mais se propage sur toute la chaîne où elle finit par être révélée au niveau de la membrane des haut-parleurs. La solution va consister à agir sur le lecteur au niveau du disque en polarisant la face supérieure du disque par un champ électrique normal à ladite surface, le disque étant maintenu dans un champ magnétique tangent et perpendiculaire au champ magnétique initial, comme indiqué figure 2. En référence à ce dessin, la figure 2 montre le disque (1) entraîné par le moteur (2) et maintenu sur l'axe par le palet presseur (3). Le champ magétique est appliqué par l'intermédiaire des aimants (6) et (7) qui créent un flux magnétique sensiblement tangent à la surface du disque. Le champ électrique est appliqué perpendiculairement à la surface du disque par deux électrodes (4) et (5) que l'on pourra avantageusement choisir en toile métallique ou en mousses semiconductrices propres à absorber les ondes hautes fréquences correspondant aux MDI. La polarisation est appliquée entre les électrodes (4) et (5) au moyen de piles (8) par l'intermédiauire d'un drain constitué d'une résistance (9) de 1,5 méghom en parallèle avec un circuit constitué d'une résistance de 0, 25ohm en série avec une capacité céramique de 18pF. De manière optionelle, si le électrodes ne sont pas en contact avec la masse, on pourra relier le circuit des électrodes à la masse ou au châssis par un drain (12) identique à celui précédemment décrit. Dans de nombreux cas, l'électrode (4) pourra être omise si le support sous-jacent est conducteur, auquel cas le drain (12) sera omis. La tension de polarisation pourra être comprise entre 9 et 48V en fonction des lecteurs envisagés, bien que des résultats satisfaisants aient été obtenus à partir de 18V. De même, il sera intéressant d'essayer une inversion de polarité, toujours en fonction des différences constructives entre lecteurs. A noter que la consommation des piles est nulle, et donc que leur usure correspond à leur durée de stockage admise. Les résultats obtenus par ce dispositif sont particulièrement spectaculaires : on gagne en fluidité du message, en étendue subjective de la bande passante vers le grave et l'aigu, en dynamique. L'extinction des notes devient beaucoup plus évidente. Les défauts attribués par les audiophiles à la lecture numérique disparaissent. Ces différents dispositifs appliqués à une chaîne haute-fidélité même 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, révélée sur la membrane des haut-parleurs, ainsi que leur production par les lecteurs, sont donc bien 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 complété par un champ magnétique également constant perpendiculaire au champ électrique initial et donc tangent aux surfaces à protégér. 3 )-Application mettant en oeuvre le procédé suivant les 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, le champ magnétique perpendiculaire au champ électrique et tangent à la surface du câble étant appliqué au moyen d'un ou plusieurs aimants toriques entourant le conducteur à protéger. 4 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 3, le champ électrique étant appliqué par une association de piles de 9 à 48V et un drain constitué d'une résistance de 1, 5méghom en parallèle avec une résistance de 0, 25ohm elle-même en série avec une capacité de 18pF. 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 les revendications 1 et 2 à lecteur de disque numérique de type audiovidéo quelconque, caractérisée en ce que le disque est maintenu dans un champ électrique normal à la surface du disque au moyen d'au moins une électrode, un champ magnétique étant appliqué tangentiellement à la surface du disque et perpendiculairement au champ électrique par exemple par un ou plusieurs aimants. 7 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon les revendications 3,6, le champ magnétique étant compris entre 2 et 80mT sur tout ou partie des surfaces à protégér. 8 )-Application mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 6, la polarisation électrique étant appliquée par une association de piles de 9V à 48V 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, cette disposition pouvant être inversée en fonction des structures d'appareils rencontrées.