Brevet FR2853803A1 — publié le 20041015

Membranes pour haut-parleur d'enceinte acoustique haute fidélité, multicouches, multimatériaux. Secteur technique de l'invention: La présente invention concerne le secteur technique des reproducteurs sonores utilisant une membrane émissive. Il s'agit plus précisément d'enceintes acoustiques haute fidélité et plus particulièrement de leurs haut-parleurs, et encore plus précisément une 10 membrane pour un tel haut-parleur. Art antérieur: La membrane d'un transducteur assure le couplage mécanique entre une bobine mobile, placée dans un entrefer et parcourue par un courant modulé, 15 et les molécules d'air pour assurer une reproduction sonore. Hormis sa géométrie, trois critères régissent les qualités d'une membrane au plan mécanique: son poids, sa rigidité en flexion et son amortissement. La membrane est réalisée usuellement dans une structure mono corps dans un matériau offrant un bon compromis sur les trois critères précédents. 20 Résultat: pour un woofer médium par exemple de 16,5 cm il est impossible d'avoir la rigidité voulue pour une reproduction idéale du grave tout en maîtrisant l'amortissement pour une reproduction correcte de la zone médium. Une solution mono structurale ne permet pas une optimisation individuelle des critères. Une amélioration importante a été réalisée par le brevet déposé par le demandeur sous le numéro FR 95 03092, grâce à une membrane sandwich en mousse thermoformée recouverte d'un voile de verre sur ses deux faces. Problème technique posé: Les progrès apportés par la qualité des sources numériques et des amplifications (tant en création musicale qu'en reproduction), avec des bandes de fréquences de plus en plus étendues de 20 Hz à 40 KHz imposent de nouveaux défis aux transducteurs. - Rigidité pour les haut-parleurs de grave de plus en plus sollicités par des niveaux d'énergie allant croissant. - Des masses de plus en plus réduites pour procurer des facteurs d'accélération adaptées à la reproduction des transitoires que de telles 10 réponses en fréquence engendrent. - Amortissement contrôlé pour s'affranchir des " colorations " sonores propres au matériau de la membrane, colorations d'autant plus marquées que la rigidité croît. La problématique est que ces paramètres sont liés et antagonistes. Face aux nouveaux formats de l'audio numériques, par exemple 24 bits I 96kHz, Dolby Digital, SACD, DVD Audio... il est stratégique d'apporter aux transducteurs électrodynamiques des améliorations pour que le saut qualitatif apporté par ces formats soit en final perceptible. Un constat s'impose, les membranes mono structurales ne permettent plus 20 d'évoluer, leurs qualités étant liées au matériau utilisé. Il est réaliste de dire que toutes les possibilités ont été balayées au cours des cinquante dernières années. Les matériaux composites simple couche présentent les mêmes limites. Il existe donc un besoin important et reconnu pour une membrane qui serait 25 encore améliorée par rapport aux membranes décrites dans le brevet FR précité, tout en restant à un coût de fabrication compatible avec les exigences du marché. Résumé de l'invention: Elle fait appel à une structure composite multicouche et multi matériaux. La structure prime sur le matériau en matière de rigidité. La solution proposée procure une rigidité en flexion près de 20 fois supérieure aux solutions 5 classiques pour un cône de masse surfacique identique ( 6854 N/mm pour la présente invention contre 366N/mm pour la pulpe de cellulose, 313 N/mm pour le KevlarT imprégné, 77 N/mm pour l'aluminium et 42 N/mm pour le polypropylène). Par rapport au brevet FR précité, on obtient sensiblement les mêmes 10 résultats en terme de rigidité, mais on apporte une différence importante qui repose sur le process o l'on maîtrise le taux de résine et le cycle de polymérisation. Au final on obtient une plus grande stabilité des caractéristiques. Le choix des matériaux, en particulier pour l'âme de la structure, autorise un ajustement fin de l'amortissement. Les couches internes et/ou externes, par le matériau utilisé, le nombre de couches, autorisent un ajustement fin de la masse de la rigidité et de la vitesse de propagation du son dans la membrane. Comme indiqué ci-dessus, ceci conduit à une multitude de paramètres dont certains antagonistes. Le Demandeur est cependant parvenu à mettre au point des membranes multicouches, multi-matériaux, de coût raisonnable et de caractéristiques très améliorées. L'avantage unique de la technologie ainsi développée est de pouvoir régler mécaniquement la réponse d'un transducteur en ajustant à la source les caractéristiques de la membrane. On évite ainsi le recours, selon l'art antérieur, à une correction a posteriori par filtrage électrique qui pose des problèmes de phase et altère la restitution 30 sonore. Description détaillée de l'invention: La figure 1 A représente une membrane 1 selon l'invention, et la figure 1 B une vue en coupe du détail des couches ou Les figures 2 à 9 (chacune A (sensibilité), B (réponse impulsionnelle) et C (structure schématique et nomenclature)) représentent des structures non limitatives et leurs courbes de propriétés relatives aux exemples non limitatifs donnés ci-dessous. L'invention concerne donc une membrane 1 pour haut-parleur caractérisée en 10 ceque: - elle comporte une âme 2 constituée de mousse structurale tranchée très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour la membrane - dont la face externe 4 est recouverte d'au moins un, de préférence plusieurs, " - la face interne 7 est recouverte ou non de un ou plusieurs " plis internes" 8 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou " peau interne " 9. La composition du stratifié " externe " , notamment le nombre et la nature des plis " externes,, est variable selon les caractéristiques recherchées. La présence de la peau interne et sa composition, notamment le nombre des " plis internes", est variable selon les caractéristiques recherchées. A titre d'exemples non limitatifs, les fibres tissées ou non tissées formant les 25 plis internes et externes seront choisies parmi: - les fibres de verre - les fibres de carbone, fibres de polyéthylène, aramides et para aramides (DyneemaT, Spectral', Kevlar, VectranTm...) La mousse constitutive de l'âme de type "c structurale " est choisie parmi les suivantes: - mousse de PlexiglasTm à cellules fermées de densité entre 30 et 1 00 kg/m3, typiquement 50 kg I m3 - mousse de PVC (chlorure de polyvinyle) à cellules fermées de densité entre 50 kg et 200 kg / m3 mousse de polystyrène à cellules fermées de densité entre 15 kg et kg /m3 La résine d'imprégnation est choisie parmi les suivantes: - résines de type thermodurcissables: epoxy, polyester, vinylester et phénolique résines thermoplastiques: polyamide, polypropylène L'homme de métier saura sélectionner les matériaux ci-dessus en fonction des propriétés recherchées, en se référant aux figures annexées et éventuellement à l'aide d'essais simples. Il est à noter que l'on peut utiliser des fibres différentes, et des résines 20 d'imprégnation différentes, ou au contraire identiques, pour fabriquer les plis, toutes les combinaisons étant possibles selon les propriétés recherchées. On peut également employer une combinaison de fibres et de résine pour les plis internes, et une autre combinaison pour les plis externes, ou bien la même combinaison. Pour des raisons industrielles, on préférera employer la même combinaison. Ce matériau sandwich est polymérisé soit par compression entre moule et contre moule, soit en moulage sous vide, à température adéquate pour permettre la polymérisation de la résine et ainsi obtenir une structure mécaniquement homogène. L'invention concerne également ce procédé. Exemples de réalisation La méthode actuelle permet la réalisation de membrane pour des transducteurs de grave et de médium dont les diamètres vont de 46 cm à 10 cm. Un échantillonnage de courbes de réponse en fréquence et impulsionnelle a été établi pour six variantes de membranes de diamètre identique pour haut 10 parleur de 165 mm. Les épaisseurs des plis internes et externes sont déclinées par tranchage de la matière en diverses épaisseurs allant de 1,5 mm à 4 mm. Les réalisations suivantes ont été effectuées; les courbes de sensibilité de 15 chaque structure (figures X ", A,) et de réponse impulsionnelle (figures X " CWM-L ou CWM-2P / M 1,5 figure 2C, 9C 1 pli de verre interne, âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm 1 pli externe en verre (figures 2 A et 2 B et 9A et 9B) CWM ou CWM-3P/M1, 5 figure3C 1 pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm 2 plis de verre internes (figures 3 A et3 B) CWS-1P/ M2 figure 4C 1 pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 2 mm (figures 4 A et 4 B) CWS-1P/ M3 (figures 5 A e figure 5C, 7C pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 3 mm t5 B) CWS-2P/M1,5 figure 6C, 8C 2 plis de verre externe âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm (figures 6A et 6B et 8A et 8B) Ces figures montrent (comportement comparé de variantes des membranes sur une base commune de haut-parleurs de 6 " 1/2 - 16,25 cm) que: 1 Influence du nombre de plis sur une structure sandwich à épaisseur d'âme constante: la rigidité est accrue en augmentant le nombre de plis (3 5 plis CWM - 3P / M 1,5 Figures 3A / 3B contre 2 plis CWM-2P / M 1,5 figures 2A / 2B). La réponse en amplitude est linéarisée dans la bande 100 - 1000 hz, l'impulsion est mieux reproduite et l'amortissement est similaire. 2 Influence de l'épaisseur de l'âme sur une structure sandwich: la structure CWS - 1 P / M3 (figures 5A / 5B) possède une âme une fois et 10 demi plus épaisse que la structure CWS-1 P / M2 (figures 4A / 4B): sa rigidité est accrue et l'amortissement est amélioré. On notera que la masse est peu affectée car l'efficacité du transducteur reste identique. Cette solution est particulièrement bien adaptée pour un fonctionnement " en piston " dans le grave. 3 Influence comparée du nombre de plis sur la peau externe et de l'épaisseur de l'âme sur une structure sans peau interne: La rigidité est similaire, l'âme plus mince (CWS - 2P/M1,5 figures 6A / 6 B) recouverte de deux plis externes présente une meilleure impulsion, par contre la structure CWS-1 P/M3 (figures 7A / 7B) présente un amortissement 20 supérieur, avec une âme plus épaisse. 4 Structure sandwich comparée à une structure sans peau interne, à épaisseur d'âme identique: On compare une structure sandwich CWM - 2P / M1,5 (figures 9A/9B) à une structure sans peau interne, à épaisseur d'âme identique, CWS - 2P I 25 M1,5 (figures 8A / 8B). Cette dernière, sans peau interne, offre une impulsion et un amortissement mieux maîtrisés. C'est un choix particulièrement adapté pour le médium. Le meilleur mode de réalisation à ce jour, et la version la plus commune pour un HP médium, est constitué d'une âme de 1,5 mm d'épaisseur avec une peau externe de 100 microns réalisée à partir de deux plis de verre de 50 microns. Pour un woofer de 33 cm l'épaisseur de l'âme est de 3 mm avec une peau interne de 3 plis de 50 microns et une peau externe de deux plis de 50 microns. L'invention couvre encore les haut-parleurs pour enceintes acoustiques, comportant une membrane selon l'invention. L'invention couvre également les enceintes acoustiques munies d'au moins un haut parleur comportant une membrane selon l'invention. L'invention couvre enfin toutes les applications de ces membranes, hautparleurs et enceintes acoustiques, pour la reproduction de sons, notamment en haute ou très haute fidélité, pour tous usages privés, dans des salles de 15 spectacle, de conférence, de concert, les automobiles et autres véhicules de transport terrestre, les engins de transport maritime ou aérien, et analogues. L'invention couvre également tous les modes de réalisation et toutes les applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la lecture de la présente demande, de ses connaissances propres, et 20 éventuellement d'essais simples de routine. REVENDICATIONS 1 Membrane 1 pour haut-parleur caractérisée en ce que: - elle comporte une âme 2 constituée de mousse structurale tranchée très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour la membrane - dont la face externe 4 est recouverte d'au moins un, de préférence plusieurs, " plis externes" 5 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou " peau externe " 6. - la face interne 7 est recouverte ou non de un ou plusieurs " plis internes" 8 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou " peau interne " 9. 2 Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fibres tissées ou non tissées formant les plis internes et externes seront choisies parmi: - les fibres de verre - les fibres de carbone, fibres de polyéthylène, aramides et para aramides (DyneemaT, Spectral', Kevlarl', VectranT) 20 3 Membrane selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la mousse constitutive de l'âme est choisie parmi les suivantes: mousse de PlexiglasÖm à cellules fermées de densité entre 30 et 100 kg/m3, typiquement 50 kg / m3 - mousse de PVC (chlorure de polyvinyle) à cellules fermées de densité entre 50 kg et 200 kg / m3 - mousse de polystyrène à cellules fermées de densité entre 15 kg et kg /m3 4 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la résine d'imprégnation est choisie parmi les suivantes: - résines de type thermodurcissables: epoxy, polyester, vinylester et phénolique - résines thermoplastiques: polyamide, polypropylène Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l'on peut utiliser des fibres différentes, et des résines 10 d'imprégnation différentes, ou au contraire identiques, pour fabriquer les plis, ou également employer une combinaison de fibres et de résine pour les plis internes, et une autre combinaison pour les plis externes, ou bien la même combinaison. 6 Membrane selon la revendication 5 caractérisée en ce que on emploie la même combinaison. 7 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que les épaisseurs des plis internes et externes sont 20 déclinées par tranchage de la matière en diverses épaisseurs allant de 1,5 mm à 4 mm. 8 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que elle présente une structure sandwich choisie parmi les 25 suivantes: CWM-L ou CWM-2P / M 1,5 1 pli de verre interne, âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm 1 pli externe en verre CWM ou CWM-3P/M1,5 1 pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm 2 plis de verre internes CWS-1P/ M2 1 pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 2 mm o CWS-1P/ M3 1 pli de verre externe âme en mousse d'épaisseur 3 mm CWS-2P/M1,5 2 plis de verre externe âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm 9 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour des transducteurs de grave et de médium dont les diamètres vont de 46 cm à 1 0 20 cm. Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour un HP médium, caractérisée en ce que elle est constituée d'une âme de 1,5 mm d'épaisseur avec une peau externe de 100 microns réalisée à partir de deux plis de verre de 50 microns. 1i1 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour un woofer de 33 cm de diamètre, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'âme est de 3 mm avec une peau interne de 3 plis de 50 microns et une peau externe de deux plis de 50 microns. 12 Procédé pour la fabrication d'une membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que ledit matériau à structure sandwich est polymérisé soit par compression entre moule et contre moule, soit en moulage sous vide, à température adéquate pour permettre la 15 polymérisation de la résine et ainsi obtenir une structure mécaniquement homogène. 13 Membranes pour haut-parleurs d'enceintes acoustiques, caractérisées en ce que elles sont fabriquées par le procédé selon la revendication 12. 14 Haut-parleurs pour enceintes acoustiques, caractérisés en ce qu'ils comportent une membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et 13. Enceintes acoustiques caractérisées en ce que elles sont munies 25 d'au moins un haut parleur selon la revendication 14. 16 Applications des membranes, haut-parleurs et enceintes acoustiques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, pour la reproduction de sons, notamment en haute ou très haute fidélité, pour tous 30 usages privés, dans des salles de spectacle, de conférence, de concert, les automobiles et autres véhicules de transport terrestre, les engins de transport maritime ou aérien, et analogues.