Brevet FR3000863A1 — publié le 20140711

-1- MEMBRANE DE HAUT-PARLEUR, ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE MEMBRANE DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rattache au domaine du matériel acoustique, et plus précisément des haut-parleurs. Elle vise plus spécifiquement une nouvelle structure de membrane de haut-parleur qui combine de multiples avantages en termes de performance acoustique et de facilité de fabrication. TECHNIQUES ANTERIEURE S De façon générale, les membranes de haut-parleur forment la partie mobile d'un haut-parleur qui assure la mise en mouvement de l'air environnant, nécessaire pour la création d'ondes acoustiques. Les membranes de haut-parleur se caractérisent au moins par trois paramètres mécaniques qui ont des incidences sur les performances du haut-parleur. Ainsi, un premier paramètre concerne la rigidité de la membrane. En effet, plus une membrane est rigide, moins elle est déformable, et donc plus elle assure un rôle de piston permettant de générer des mouvements des masses d'air avoisinantes avec une cinématique fidèle au signal de commande. En d'autres termes, plus une membrane est rigide, et plus elle permet, en particulier à basse fréquence, un fonctionnement en piston, limitant, voir éliminant les phénomènes de distorsion, en particulier dans la bande de fréquence grave. Par ailleurs, un autre paramètre critique d'une membrane concerne sa masse. En effet, plus une membrane est légère, plus elle peut être déplacée à haute fréquence avec une amplitude satisfaisante, à un niveau d'énergie d'activation constante. En d'autres termes, plus une membrane est légère, plus elle autorise une accélération importante, lui permettant de reproduire fidèlement les fréquences élevées, et ce sans générer de phénomène de trainage dans les fréquences graves. -2- Enfin, un troisième paramètre critique d'une membrane concerne son amortissement, qui se caractérise par son facteur de surtension mécanique. Ainsi, plus cet amortissement est important, et donc plus le facteur de surtension est faible, plus cette membrane joue un rôle neutre, en particulier dans les fréquences intermédiaires, pour éviter l'intermodulation de la fréquence de résonance propre de la membrane avec le signal reproduit. En d'autres termes, plus une membrane est amortie, plus la reproduction du son sera fidèle. Bien évidemment, la membrane idéale est celle qui possède à la fois une très forte 10 rigidité, tout en étant extrêmement légère et particulièrement amortie. On conçoit que les matériaux obligent à réaliser des compromis pour privilégier l'un ou l'autre de ces paramètres, en fonction de l'application souhaitée. Diverses solutions ont d'ores et déjà été proposées, elles présentent chacune leurs 15 avantages, mais également leurs inconvénients. Une première solution consiste à réaliser des membranes à base d'un matériau unique, choisis pour sa forte rigidité. Il peut s'agir de métal, tel que l'aluminium, ou encore de matériau composite, combinant des fibres de verre ou d'aramide 20 imprégnées d'une résine epoxy. L'inconvénient principal de ces solutions réside dans leur poids relativement important pour obtenir un niveau de rigidité satisfaisant Par ailleurs, il a été décrit dans le brevet FR 2 615 345, une structure de membrane 25 formée d'une âme à base fibreuse, imprégnée d'une résine thermodurcissable. Cette membrane possède sur ses faces extérieures des sphères microscopiques de très haute rigidité, et en particulier à base de verre. La présence de ces microsphères augmente la rigidité de la membrane, ce qui peut être satisfaisant pour la reproduction des sons à basse fréquence. Toutefois, ce type de membrane 30 n'est pas considéré comme de suffisamment haute performance pour reproduire très fidèlement les sons à haute fréquence, car la présence de ces microsphères -3- additionnelles conduisent à des niveaux de distorsion relativement élevés, et induisent une coloration du son particulière. Une autre solution a été décrite dans le document FR 2 731 579. Les membranes 5 décrites dans ce document sont composées par une structure sandwich, qui comporte une âme à base d'une mousse thermoformée, sur laquelle sont appliquées de part et d'autre des feuilles textiles à base de fibre de haute ténacité, et en particulier de fils de verre, imprégnés d'une résine thermodurcissable. L'emploi de structures sandwich, combinant deux couches de forte rigidité 10 séparées par une âme permet d'augmenter très notoirement à poids constant le niveau de rigidité de la membrane par rapport aux solutions mono-matériau. Cependant, malgré l'intérêt en termes de rigidité de ces structures composites sandwich, on note des inconvénients liés au procédé de fabrication qui est 15 relativement complexe et coûteux. En effet, pour obtenir une membrane à la forme géométrique bien définie, il est nécessaire de thermoformer la mousse qui constitue l'âme de la membrane dans une étape préalable, puis d'y appliquer les deux peaux constituées par les feuilles textiles, avant d'exposer l'ensemble à une source de chaleur permettant de polymériser la résine imprégnant les feuilles 20 textiles. Ces opérations, obligatoirement manuelles, peuvent être relativement longues et nécessitent des manipulations délicates. Ainsi, un des problèmes que se propose de résoudre l'invention est celui de fournir une membrane qui présente de hautes performances mécaniques, tant en rigidité 25 qu'en masse et amortissement, et qui puisse être fabriquée selon un procédé simplifié, voire automatisable. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc une membrane de haut-parleur, possédant une structure 30 sandwich comportant une âme centrale séparant en deux couches extérieures de matériau à base de fils de haute rigidité, imprégnés d'une résine polymérisée. -4- Conformément à l'invention, cette membrane se caractérise en ce que l'âme centrale est formée d'une couche de matériau à base de fibres naturelles orientées et imprégnées d'une résine polymérisée. Autrement dit, les deux peaux extérieures de la membrane sont séparées par une couche réalisée à base de fibres naturelles, permettant de par leur épaisseur, d'écarter suffisamment les deux peaux pour obtenir la rigidité voulue. En d'autres termes, la membrane est formée d'un stratifié mixant différent types de fibres noyés dans une même matrice. Cette structure présente un gradient de masse volumique et de module d'Young depuis la fibre neutre vers la surface : le coeur du stratifié est léger et amorti, sa surface est rigide et l'ensemble est parfaitement marié dans une matrice commune. Grâce à cette combinaison, on concilie au moins partiellement les critères paradoxaux de rigidité en flexion/faible masse/fort amortissement. Bien que de masse supérieure à la mousse thermoformée utilisée dans les solutions antérieures, la membrane selon l'invention présente l'avantage majeur de pouvoir être réalisée de manière beaucoup plus simple, puisque ne nécessitant pas d'opération préalable de thermoformage. En effet, la mise en forme de l'âme se fait en même temps que le durcissement de la résine imprégnant les peaux. Cette mise en forme est facilitée par le fait que les fibres naturelles de la couche centrale glissent par rapport aux fibres de peaux lors de la déformation depuis la configuration pleine à la configuration souhaitée. Par ailleurs, de manière inattendue, le Demandeur a constaté que l'emploi de fibres naturelles orientées, sous forme de nappe unidirectionnelle, n'induit pas de comportement spécifique lié à cette orientation. Au contraire, il semble que le caractère orthotrope des peaux recouvrant la membrane, constituées préférentiellement par une structure tissée, peut conduire à des phénomènes de couplage vibratoire des modes propres lorsque la membrane est excitée mécaniquement. Or, il semble que la présence des fibres naturelles orientées grâce -5- à leur configuration quelque peu irrégulière atténue ces phénomènes de couplage, en jouant donc en faveur d'une amélioration de l'amortissement de la membrane. En pratique, les fibres naturelles utilisées peuvent être choisies dans le groupe 5 comprenant principalement le lin, mais aussi la soie, le chanvre, la ramie, le coco, le sisal, le jute le bambou et le coton, pris isolément ou en combinaison. Les fibres naturelles se présentent de préférence sous forme de nattes de fibres mises en parallèle, sans avoir subi d'opérations nécessaire pour la mise en fils, tels que le retordage. Les fibres sont également de préférence non traitées chimiquement, et 10 n'ont donc préférentiellement pas subi d'étape d'ensimage. De façon préférée, les fibres naturelles se présentent sous forme d'une nappe unidirectionnelle, dans laquelle les différentes nattes sont disposées parallèlement, sans flexion ni embuvage, par opposition à une structure tissée. 15 Avantageusement en pratique, les couches extérieures formant les peaux de la membrane sont réalisées à base d'une structure tissée, bien qu'il soit également possible d'utiliser des structures de type non-tissé. 20 Selon une caractéristique de l'invention, les fils de haute rigidité, c'est-à-dire présentant un très fort module d'Young, inclus dans les couches extérieures peuvent être en un matériau choisi dans le groupe comprenant le verre, l'aramide, le carbone, chacun de ces matériaux étant pris isolément ou en combinaison. 25 En pratique, on privilégiera les imprégnations à base de résine permettant d'obtenir une bonne rigidité, ce qui est en particulier le cas des résines thermodurcissables, et notamment de la résine epoxy. En pratique, l'âme réalisée à base de fibres naturelles peut présenter une épaisseur 30 comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques millimètres, typiquement entre 0,2 et 3 mm, et préférentiellement entre 0,3 et lmm. -6- Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne un procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur. Conformément à l'invention, ce procédé comporte les étapes suivantes : formation d'un empilement comprenant - - une première couche de matériau à base de fils de haute rigidité ; - une couche d'âme en un matériau à base de fibres naturelles orientées ; - une deuxième couche de matériau à base de fils de haute rigidité ; la mise en forme dudit empilement par application d'une exposition à une source de chaleur, de manière à polymériser une résine présente dans ledit empilement ; la découpe de l'empilement mis en forme aux contours souhaités de la membrane. Autrement dit, le procédé conforme à l'invention présente l'avantage d'effectuer la mise en forme de l'ensemble des couches constituant la structure sandwich en une seule et unique étape, ce qui simplifie grandement le procédé de fabrication. Diverses variantes peuvent être envisagées en ce qui concerne la manière dont la 20 résine d'imprégnation est mise en place sur les différentes couches. Ainsi, dans une première forme d'exécution, les couches de matériau à base de fils de haute rigidité sont imprégnées d'une résine polymérique avant la réalisation de l'empilement. Autrement dit, on utilise des peaux pré-imprégnées, qui peuvent 25 dans un cas particulier privilégié avoir été imprégnées avec une quantité de résine excédante qui pourra ensuite fluer à l'intérieur de la couche d'âme lors de la mise en forme. Dans ce cas de figure, les manipulations de préparation sont simplifiées, puisqu'elles ne nécessitent aucun déversement de résine. Il est également possible d'utiliser une âme à base de fibres naturelles qui a été pré imprégnée dans une 30 étape spécifique. -7- Dans une autre forme d'exécution, l'empilement peut être réalisé à partir de couches sèches, étant entendu que l'on dépose sur l'empilement une résine polymérique de telle sorte qu'elle imprègne l'ensemble des couches, pour ensuite être réticulée lors de la mise en forme. Dans ce dernier cas, les manipulations de différents matériaux sont facilitées, puisqu'ils sont assemblés sous forme sèche. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des 10 figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue en perspective sommaire d'un empilement de différentes couches, montrées partiellement écorchées, permettant de réaliser la membrane conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un empilement de la figure 1 15 après sa mise en forme, et avant sa découpe au contour de la future membrane. MANIERES DE REALISER L'INVENTION Comme déjà évoqué, la membrane conforme à l'invention se compose d'un empilement de plusieurs couches. 20 Tel qu'illustré à la figure 1, cet empilement 1 comporte une première couche 2 formée d'un tissu typiquement à base de fils de verre, comportant donc des fils de trame 3 et des fils de chaîne 4 se croisant perpendiculairement. 25 A titre d'exemple, la couche 2 de fils de verre peut présenter une masse de l'ordre de 50 g/m2, et être formée par des fils d'un titre voisin de 1 1 tex . Bien entendu, d'autres matériaux, tels que des fils de carbone ou d'aramide peuvent être employés, éventuellement en combinaison. 30 Cet empilement 1 comporte également une couche 6 composée de fibres naturelles sous forme d'une structure unidirectionnelle. Dans ce cas, les différents fils 7 sont -8- orientés parallèlement. Ils peuvent être maintenus les uns à côté des autres par différents moyens, et en particulier un fil de trame 8 de titre très fin, de sorte qu'il est d'une influence négligeable sur les propriétés de la couche formant l'âme. L'influence des fils de trame 8 est faible, mais il est préférable de le positionner à 900 par rapport aux fils de fort titre 7 pour obtenir une déformation plus homogène. A titre d'exemple, les fils 7 de la couche d'âme peuvent être à base de lin, se présentant sous forme de natte ou ruban d'une largeur de l'ordre du millimètre, formant une nappe unidirectionnelle, une masse comprise entre 150 et 400 g/m2. 10 Une telle couche présente une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 3 mm. Dans la forme illustrée, les fils 7 de fibres naturelles sont orientés parallèlement à des fils des peaux 2 de fils de verre. Dans cette configuration, on a observé une certaine diminution de phénomènes de couplage en mode propre qu'il est possible 15 d'attribuer à la relative irrégularité de la géométrie des fibres naturelles, irrégularité comparée à celle des fils de verre formant la peau 2. Toutefois, dans d'autres configurations, il est envisageable de donner aux fibres naturelles une orientation décalée par rapport à celles des fils des peaux. 20 Cet empilement se termine par une deuxième peau 10 analogue, voire identique, à la peau 2 située de l'autre côté de la couche d'âme 6. En pratique, pour la fabrication d'une membrane, on peut procéder tout d'abord 25 par la réalisation de l'empilement des différentes couches, puis la découpe de zones aux dimensions légèrement supérieures à celles de la surface développée d'une membrane. Chacun des sous-ensembles ainsi réalisés est ensuite enduit d'une résine qui imprègne les peaux 2, 10 ainsi que la couche d'âme 6. L'ensemble est ensuite mis en forme sous une presse chauffante permettant d'assurer la 30 réticulation de la résine dans le cas où il s'agit d'une résine thermodurcissante. -9- Après la mise en forme, et comme illustré à la figure 2, l'empilement présente une forme correspondant à celle souhaitée, et typiquement tronconique dans la forme illustrée. Typiquement, l'épaisseur e de la membrane, donnée principalement par la couche d'âme 6 est voisine de quelques 1/10 de millimètres à quelques millimètres. L'ensemble est ensuite découpé au contour 22 de la membrane, et typiquement à la jonction entre la portion 20 de forme tronconique et les portions planes périphériques 21 destinées à être éliminées. Comme déjà évoqué, il est également possible de fabriquer la membrane conforme 10 à l'invention en utilisant des renforts pré-imprégnés. Dans ce cas, la résine en excès présente sur les peaux 2, 10 migrent dans l'épaisseur de l'âme 6 lors de la mise sous pression. Il ressort de ce qui précède que la membrane conforme à l'invention présente de 15 multiples avantages, parmi lesquels on peut citer : une forte rigidité du fait d'une structure sandwich écartant les deux peaux extérieures ; un amortissement satisfaisant, consécutif à l'emploi de fibres naturelles orientées ; 20 un procédé de fabrication simplifié, permettant l'assemblage des différentes couches et la mise en forme en une seule étape ; l'emploi de matériau naturel : REVENDICATIONS1/ Membrane de haut-parleur, possédant une structure sandwich, comportant une âme centrale (6) séparant deux couches (2, 10) de matériau à base de fils de haute rigidité imprégnés d'une résine polymérisée, caractérisée en ce que l'âme centrale (6) est formée d'une couche de matériau à base de fibres naturelles orientées (7), et imprégnées d'une résine polymérisée. 2/ Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que les couches 10 extérieures (2, 10) incluent un tissu de fils de haute rigidité. 3/ Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fils de haute rigidité des couches externes sont en un matériau choisi dans le groupe comprenant le verre, le carbone, l'aramide, pris isolément ou en combinaison. 15 4/ Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fibres naturelles sont choisies parmi le groupe comprenant le lin, la soie, le chanvre, la ramie, le coco, le sisal, le jute, le bambou et le coton, pris isolément ou en combinaison. 20 5/ Membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres naturelles se présentent sous la forme d'une structure textile unidirectionelle. 6/ Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que la résine imprégnant les couches externes est de type thermodurcissable. 25 7/ Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'âme centrale présente une épaisseur comprise entre 0,3 et 3 millimètres. 8/ Membrane selon la revendication 1, dans laquelle les fibres naturelles sont à 30 base de lin, et dans laquelle les couches extérieures sont des structures tissés à base de fils de verre.-11- 9/ Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur comprenant les étapes suivantes : formation d'un empilement comprenant - - une première couche de matériau à base de fils de haute rigidité ; - une couche d'âme en un matériau à base de fibres naturelles orientées ; - une deuxième couche de matériau à base de fils de haute rigidité ; la mise en forme dudit empilement par application d'une pression et exposition à une source de chaleur, de manière à polymériser une résine présente dans ledit empilement ; la découpe de l'empilement mis en forme aux contours souhaités de la membrane. 10/ Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que les couches de matériau 15 à base de fils de haute rigidité sont imprégnés d'une résine polymérique avant la réalisation de l'empilement. 11/ Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'empilement réalisé à partir de couches sèches et en ce que l'on dépose sur l'empilement une résine 20 polymérique, de sorte que ladite résine imprègne l'ensemble des couches.