Brevet FR3052624A1 — publié le 20171215

-1- TRANSDUCTEUR ELECTRODYNAMIQUE LARGE BANDE POUR CASQUE AUDIO ET CASQUE AUDIO ASSOCIE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des transducteurs électrodynamiques large bande pour casque audio. Un transducteur large bande correspond à un transducteur configuré pour assurer, seul, la restitution de sons pour l'oreille humaine, contrairement aux architectures intégrant plusieurs transducteurs, par exemple avec un premier haut-parleur configuré pour générer les basses fréquences et un second haut-parleur configuré pour générer les hautes fréquences. L'invention vise plus particulièrement le domaine de la restitution de sons à hautes performances, c'est-à-dire en limitant la dégradation du signal. L'invention concerne, plus généralement, un casque audio intégrant un transducteur électrodynamique. TECHNIQUES ANTERIEURES Un transducteur électrodynamique est un dispositif convertissant un signal électrique en onde acoustique. Pour ce faire, un transducteur électrodynamique est généralement constitué d'un moteur magnétique, d'une bobine, d'une membrane et d'une suspension. Le moteur présente une gorge, appelée entrefer, dans laquelle pénètre la bobine configurée pour capter le champ magnétique de sorte à se déplacer en translation sous l'effet de la force de Laplace. La bobine est fixée avec la membrane présentant une forme de révolution adaptée à transformer le mouvement de translation de la bobine en onde acoustique. La partie mobile d'un transducteur électrodynamique est donc composée de la bobine et de la membrane. Cette partie mobile est guidée en déplacement par une suspension disposée autour de la membrane. 3052624 -2- La partie mobile se caractérise au moins par trois paramètres mécaniques qui ont des incidences sur les performances du transducteur électrodynamique. 5 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, plus elle permet un fonctionnement en 10 piston, limitant, voir éliminant les phénomènes de distorsion. Par ailleurs, un autre paramètre critique d'une partie mobile concerne sa masse. En effet, plus une partie mobile est légère, plus elle peut être déplacée à haute fréquence avec une amplitude satisfaisante, à un niveau d'énergie 15 d'activation constante. En d'autres termes, plus une partie mobile est légère, plus elle autorise une accélération importante, lui permettant de reproduire fidèlement les fréquences élevées, et ce sans générer de phénomène de trainage. Enfin, un troisième paramètre critique d'un transducteur électrodynamique 20 large bande est sa fréquence de résonance qui doit être la plus basse possible afin de reproduire les basses fréquences sans atténuation. En effet, un transducteur électrodynamique présente une fréquence de résonance correspondant à un maxima local d'impédance en fonction de la fréquence. Lorsque le transducteur électrodynamique fonctionne à une fréquence située en-dessous de cette fréquence 25 de résonance, les déplacements du transducteur deviennent limités et peuvent être saturés quelle que soit la fréquence utilisée. Au contraire, lorsque le transducteur électrodynamique fonctionne à une fréquence située au-dessus de cette fréquence de résonance, les déplacements du transducteur diminuent lorsque la fréquence augmente. Il est donc recherché un transducteur électrodynamique dont la 30 fréquence de résonance est la plus faible possible pour éviter la saturation en déplacement du transducteur électrodynamique. 3052624 -3- Bien évidemment, la partie mobile idéale est celle qui possède à la fois une très forte rigidité, tout en étant extrêmement légère et avec une fréquence de résonance basse. 5 Dans le domaine des casques audio, d'autres paramètres critiques sont également à prendre en compte, tels que la surface émissive, les volumes de décompression et le volume des évents. En effet, un casque audio est sujet à de fortes contraintes de dimensionnement, et il est recherché d'utiliser une membrane la plus large possible afin d'améliorer le volume d'air déplacé par la membrane. 10 En outre, le déplacement de l'air au niveau de la membrane entraine une dépression ou une compression d'air sous la membrane. Les volumes de décompression d'air de la membrane doivent donc être suffisants pour ne pas freiner les déplacements de la membrane. 15 Une solution classique consiste à réaliser la membrane et la suspension dans une même couche de polyester, par exemple de type Mylar®. La réalisation de la suspension et de la membrane en une seule pièce permet d'augmenter la surface émissive en utilisant une partie de la suspension pour générer les ondes acoustiques. Le déplacement de la membrane est assuré par une bobine montée 20 autoporteur ou sur un support fixé sur la face inférieure de la membrane. Bien que le matériau constitutif de la membrane soit léger, le poids de la partie mobile est impacté négativement par le poids de la bobine et du support de bobine, limitant ainsi la dynamique du transducteur électrodynamique. 25 Pour finir, une membrane en polyester présente également l'inconvénient de se déformer dans les fréquences hautes, c'est-à-dire supérieures à 4kHz. Il s'ensuit que des harmoniques indésirables apparaissent dans l'onde acoustique en raison des déformations non contrôlées de la membrane ou de la suspension. Une 30 membrane polyester faisant d'office de suspension créée également de la modulation d'amplitude lors de grandes excursions, générant ainsi de la distorsion. 3052624 -4- Pour remédier à ces problèmes, une autre solution propose d'utiliser une membrane en aluminium ou en cellulose afin d'améliorer la rigidité de la membrane. Cette solution permet effectivement de générer des ondes acoustiques hautes fréquences en limitant les distorsions. Cependant, le poids de la membrane 5 impacte négativement le poids de la partie mobile et limite la dynamique du transducteur électrodynamique. En outre, un transducteur électrodynamique pour casque audio présente généralement une première résonance de son impédance située entre 2 et 4.5 kHz. 10 Cette première résonance est définie par les caractéristiques de la partie mobile et de l'ensemble des volumes de décompression. Sans action sur l'architecture du casque audio, les fréquences générées par le transducteur électrodynamique en-dessous de cette première résonance sont atténuées. 15 Pour remédier à ce problème et générer un signal clair sur toute la bande de fréquence audible, entre 20 Hz et 20 kHz, il est d'usage de ménager des évents dans le transducteur et dans la structure du casque audio. Ces évents forment une résonance des fréquences inférieures à celle de la première résonance de sorte à compenser l'atténuation des fréquences inférieures à la fréquence de la première 20 résonance. Ces évents sont pourvus de papier ou de tissus acoustiquement résistifs de sorte à accorder le phénomène de résonance des évents. Il s'ensuit qu'un casque audio présente classiquement une seconde résonance de son impédance, située 25 entre 50 Hz et 150 Hz, et définie par les caractéristiques de la partie mobile et celles de l'évent le plus massif et le moins amorti. Cependant, l'utilisation d'évents pour générer des basses-fréquences par résonance entraine une latence dans la génération des fréquences basses. En outre, 30 la présence de tissus ou des feuilles de papier limite le volume de décompression d'air de la membrane. 3052624 -5- Le problème technique de l'invention est de proposer un transducteur électrodynamique possédant une fréquence de résonance intrinsèque basse de sorte à limiter ou éliminer l'utilisation d'évents pour former les fréquences basses, tout en garantissant un bon compromis entre les autres paramètres du transducteur 5 électrodynamique. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose de résoudre ce problème technique en couplant une 10 membrane rigide, de préférence en aluminium ou en béryllium, avec une bobine autoportée sur la membrane de sorte à supprimer le support de bobine et limiter le poids de la partie mobile. Selon un premier aspect, l'invention concerne un transducteur 15 électrodynamique large bande pour casque audio, ledit transducteur comportant : - un moteur magnétique configuré pour générer un champ magnétique ; - une bobine disposée dans un entrefer dudit moteur magnétique et mobile en translation sous l'effet dudit champ magnétique ; et - une membrane reliée à ladite bobine de sorte à convertir le mouvement de 20 translation de ladite bobine en une onde acoustique. L'invention se caractérise en ce que ledit transducteur comporte une bobine autoporteuse fixée par collage sur ladite membrane, ladite membrane présentant un module d'Young supérieur à 40 GPa. 25 Une membrane composée d'un matériau dont le module d'Young est supérieur à 40 GPa correspond à une membrane rigide réalisée, par exemple, en aluminium ou en béryllium. L'invention propose de coupler les avantages de cette membrane rigide avec une bobine autoportée par la membrane, c'est-à-dire sans 30 utiliser de support de bobine. La tenue mécanique de la bobine est assurée par le seul collage des spires entre elles. Il s'ensuit que le poids de la partie mobile est largement diminué par la suppression du support de bobine. 3052624 -6- Contre toute attente, les inventeurs ont constaté que l'association d'une membrane rigide avec une bobine autoportée permet d'obtenir une partie mobile légère et apte à reproduire les fréquences hautes sans distorsion. En outre, 5 l'association de cette partie mobile légère avec une suspension très souple permet d'obtenir un transducteur électrodynamique possédant une unique fréquence de résonance très basse, proche de 40Hz. L'invention permet ainsi de supprimer ou de limiter l'utilisation d'évents et 10 de reproduire tout de même les fréquences basses. Par exemple, une membrane en Béryllium fonctionne en piston sur toute la bande de fréquences audibles, entre 20Hz et 20kHz. La suppression de tout ou partie des évents, des tissus ou des feuilles de 15 papier a permis d'améliorer la dynamique du transducteur électrodynamique en augmentant le volume de décompression d'air. Selon un mode de réalisation, ladite membrane est réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant le béryllium, le magnésium et l'aluminium. 20 Contrairement aux autres matériaux métalliques dont le module d'Young est supérieur à 40 GPa, ces matériaux offrent un bon compromis entre la rigidité et la légèreté de sorte à ne pas dégrader le facteur d'accélération du transducteur électrodynamique. 25 Selon un mode de réalisation, ladite bobine comporte un fil conducteur unique enroulé sur lui-même selon la hauteur dudit transducteur électrodynamique. Ce mode de réalisation permet de limiter le poids de la bobine, et donc de la masse mobile. 30 Selon un mode de réalisation, ladite bobine présente un diamètre compris entre 20 et 30mm 3052624 -7- Contrairement aux bobines classiques, dont le diamètre est proche de 10 mm, l'utilisation d'une bobine autoportée simple enroulement, et donc très légère, permet d'augmenter le diamètre de la bobine et d'optimiser son emplacement sur la membrane. 5 Ainsi, le guidage de la membrane est amélioré, et les forces sont appliquées à un endroit optimal de la membrane afin de décaler les modes nodaux vers la fréquence la plus haute. En outre, ce mode de réalisation permet de dégager un volume de décompression d'air très importante à l'intérieur de la bobine. 10 Selon un mode de réalisation, ladite bobine présente une hauteur comprise entre 4 et 5mm Contrairement aux bobines classiques, dont la hauteur est inférieure à 3 mm, l'utilisation d'une bobine autoportée simple enroulement, et donc très légère, permet d'augmenter sa hauteur. Pour les basses-fréquences, dans 15 lesquelles les déplacements de la bobine sont les plus importants, il est classique dans les dispositifs de l'état de la technique que la bobine sorte de l'entrefer du moteur. Ce mode de réalisation propose d'utiliser une bobine particulièrement haute de sorte à pénétrer plus largement dans l'entrefer et limiter la sortie de la bobine de l'entrefer. Il s'ensuit que le guidage de la membrane est amélioré et les 20 distorsions sont réduites. Selon un mode de réalisation, ledit transducteur électrodynamique présente une surface d'ouverture supérieure à 35%. Cette surface d'ouverture correspond au rapport entre la surface émissive de la membrane et la surface des ouvertures 25 arrière. Contrairement aux transducteurs de l'état de la technique qui nécessitent le positionnement d'évents et de papier ou de tissus pour créer des modes de résonance afin de générer les basses fréquences, ce mode de réalisation permet 30 d'améliorer la dynamique du transducteur électrodynamique car les variations de volume d'air générées par le mouvement de la membrane sont évacuées sans contraintes au travers de l'évidement central et de l'évidement en périphérie. 3052624 -8- Selon un mode de réalisation, ledit transducteur électrodynamique comporte également une suspension reliant un bord externe de ladite membrane avec un support fixe, ladite suspension étant réalisée en caoutchouc. 5 Contrairement aux transducteurs de l'art antérieur qui utilisent la même matière pour former la suspension et la membrane, ce mode de réalisation permet de dissocier ces deux éléments. Il est donc possible d'utiliser une suspension et une membrane plus efficaces comparativement à celles mise en oeuvre dans l'art 10 antérieur permettant ainsi au transducteur électrodynamique d'atteindre des fréquences basses et hautes avec très peu de distorsion. Selon un mode de réalisation, ladite suspension présente une épaisseur comprise entre 50 et 100lum. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un poids 15 faible et une grande flexibilité de la suspension. Selon un mode de réalisation, ledit transducteur électrodynamique présente une compliance supérieure à 40mm/N. 20 Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un casque audio ouvert ou semi-ouvert comportant un transducteur électrodynamique selon le premier aspect de l'invention. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES 25 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 figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective arrière d'un transducteur 30 électrodynamique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective avant du transducteur de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en coupe partielle du transducteur de la figure 1. 305 2 6 2 4 -9- MANIERES DE REALISER L'INVENTION Les figures 1 à 3 sont décrites en référence à un transducteur 5 électrodynamique 10 dont la face avant présente une membrane 14 et dont la face arrière présente un moteur 11. Bien entendu, l'orientation des faces avant et arrière peut varier sans changer l'invention. Le moteur 11 est un moteur classique et peut prendre toutes les formes 10 connues. De préférence, le moteur 11 présente une forme de révolution s'étendant autour d'un axe x central du transducteur électrodynamique 10. Tel qu'illustré sur la figure 1, le moteur 11 peut être fixé sur un support fixe 18 au moyen de trois vis. De préférence, le moteur 11 comporte un évidement central 15 de sorte à 15 créer une colonne d'expansion d'air s'étendant depuis la membrane 14 jusqu'à l'arrière du transducteur électrodynamique 10. Préférentiellement, cette colonne d'expansion d'air présente une impédance acoustique nulle ou presque nulle de sorte à limiter au maximum le freinage de la membrane 14. Ainsi, contrairement aux dispositifs de l'état de la technique qui nécessitent l'utilisation d'évents et de 20 papiers pour former les basses fréquences, une impédance acoustique nulle ou presque nulle indique que le transducteur acoustique 10 ne comporte pas de papiers disposés derrière la membrane 14, dans l'axe du moteur 11. En outre, le moteur 11 possède un entrefer 13 destiné à recevoir une 25 bobine 12. La bobine 12 est fixée directement par collage sous la membrane 14 sans utiliser de support de bobine 12 de sorte à limiter le poids de la partie mobile du transducteur électrodynamique 10. Pour ce faire, la bobine 12 est préférentiellement réalisée avec un fil conducteur unique enroulé sur lui-même selon la hauteur du transducteur électrodynamique 10. Le fil conducteur peut être 30 de section circulaire ou carré. Le fil conducteur peut être réalisé en cuivre ou du type « CAW », c'est-à-dire qu'il est composé d'un coeur en aluminium recouvert d'un enrobage en cuivre et d'une couche de protection. 305 2 6 2 4 -10- Le chauffage du fil conducteur permet de solidariser les enroulements du fil entre eux par collage des couches de protection entre elles, assurant ainsi la structure de la bobine 12. La bobine 12 est donc particulièrement légère. 5 En outre, ce mode de réalisation permet d'obtenir une bobine avec un diamètre et une hauteur très importants dans le domaine des casques audio. Par exemple, ce mode de réalisation a permis d'obtenir une bobine 12 dont le 10 diamètre d est compris entre 20 et 30 mm pour une hauteur h comprise entre 4 et 5 mm. L'inductance de la bobine 12 est comprise entre 150 et 250 !LM contrairement à l'état de la technique dans lequel l'inductance de la bobine est généralement 15 comprise entre 400 et 500 !LM. En variante, la bobine 12 peut présenter plusieurs séries d'enroulements sans changer l'invention. Les performances du transducteur électrodynamique 10 sont également améliorées par l'utilisation d'une membrane 14 présentant un module d'Young 20 supérieure à 40 GPa. De préférence, la membrane 14 est réalisée en aluminium avec un module d'Young sensiblement égal à 69 GPa, ou en béryllium avec un module d'Young sensiblement égal à 240 GPa. L'épaisseur de la membrane 14 est préférentiellement comprise entre 20 et 30 !am pour un diamètre compris entre 30 et 32 mm Ainsi, la membrane 14 est particulièrement rigide tout en présentant une 25 certaine légèreté comparativement au titane ou à l'acier. La membrane 14 présente une face avant légèrement bombée formant un dôme aux bords duquel la bobine 12 est fixée. La membrane 14 s'étend également radialement, après le dôme, par une partie terminale 17 sensiblement droite s'étendant en direction du support fixe 18. 3052624 La partie mobile du transducteur électrodynamique 10 est complétée par une suspension 16 dédiée, de préférence réalisée en caoutchouc. La suspension 16 s'étend sous la forme d'un arc simple entre la partie terminale 17 de la 5 membrane 14 et un bord radial du support fixe 18. De préférence, la suspension 16 présente une épaisseur comprise entre 50 et 100 !am. Préférentiellement, la suspension 16 est fixée par collage sur la partie terminale 17 de la membrane 14 et sur le bord radial du support fixe 18. A l'aide 10 de cette suspension 16, la compliance du transducteur électrodynamique 10 est particulièrement amélioré. En effet, la compliance du transducteur électrodynamique 10 a été mesurée supérieure à 40 mm/N. Une méthode classique de mesure de la compliance est décrite dans le 15 mémoire de mesure de la société Klippel GmbH daté du 13 aout 2012 : « Linear Parameter Measurement (LPM) S2 ». Une partie arrière du transducteur électrodynamique 10 est également ouverte sur une partie de la suspension 16 de sorte à limiter le freinage de la membrane 14. 20 Il s'ensuit que le transducteur électrodynamique 10 présente une surface d'ouverture supérieure à 35%. Cette surface d'ouverture correspond au rapport entre la surface émissive de la membrane 14 et la surface des ouvertures arrière. Le transducteur électrodynamique 10, ainsi obtenu, présente des 25 performances spectaculaires. Par exemple, pour une membrane 14 réalisée en aluminium, le poids total de la partie mobile (incluant la membrane, la suspension, la bobine et la colle) ne dépasse pas 160 mg. De même, pour une membrane 14 réalisée en béryllium, le poids total de la partie mobile (incluant la membrane, la suspension, la bobine et la colle) ne dépasse pas 125 mg. Les mesures de masse 30 sont réalisées avec une balance précise au 1/10 de milligrammes 3052624 -12- Pour finir, deux transducteurs électrodynamique 10 peuvent être utilisés pour former un casque audio, par exemple un casque audio ouvert ou semi-ouvert. REVENDICATIONS1. Transducteur électrodynamique (10) large bande pour casque audio, ledit transducteur (10) comportant : - un moteur magnétique (11) configuré pour générer un champ magnétique ; - une bobine (12) disposée dans un entrefer (13) dudit moteur magnétique (11) et mobile en translation sous l'effet dudit champ magnétique ; et - une membrane (14) reliée à ladite bobine (12) de sorte à convertir le mouvement de translation de ladite bobine (12) en une onde acoustique ; caractérisé en ce que ledit transducteur (10) comporte une bobine (12) autoporteuse fixée par collage sur ladite membrane (14), ladite membrane (14) présentant un module d'Young supérieur à 40 GPa. 2. Transducteur électrodynamique selon la revendication 1, dans lequel ladite 15 membrane (14) est réalisée en un matériau choisi dans le groupe comprenant le béryllium, le magnésium et l'aluminium. 3. Transducteur électrodynamique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite bobine (12) comporte un fil conducteur unique enroulé sur lui-même selon la 20 hauteur dudit transducteur électrodynamique (10). 4. Transducteur électrodynamique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite bobine (12) présente un diamètre (d) compris entre 20 et 30mm 25 5. Transducteur électrodynamique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite bobine (12) présente une hauteur (h) comprise entre 4 et 5mm 6. Transducteur électrodynamique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit transducteur électrodynamique (10) présente une surface d'ouverture 30 supérieure à 35%. 3052624 -14- 7. Transducteur électrodynamique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit transducteur électrodynamique (10) comporte également une suspension (16) reliant un bord externe (17) de ladite membrane (14) avec un support fixe (18), ladite suspension (16) étant réalisée en caoutchouc. 5 8. Transducteur électrodynamique selon la revendication 7, dans lequel ladite suspension (16) présente une épaisseur comprise entre 50 et 100um. 9. Transducteur électrodynamique selon l'une des revendications 1 à 8, dans 10 lequel ledit transducteur électrodynamique (10) présente une compliance supérieure à 40mm/N. 10. Casque audio comportant un transducteur électrodynamique (10) selon l'une des revendications 1 à 9.