Brevet FR3089381A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : Enceinte close à faible raideur [0001] La présente invention comporte une enceinte acoustique close du type comportant un caisson et un haut-parleur comportant une membrane mobile par rapport au caisson, le caisson et la membrane délimitant une chambre essentiellement close ; le haut-parleur comportant un moteur à commande électrique d'actionnement de la membrane mobile par rapport au caisson, l'enceinte comportant en outre un mécanisme de sollicitation axiale de la membrane à l'écart de sa position médiane de repos à l'encontre de la force de pression exercée par le gaz contenu dans le caisson sur la membrane. [0002] Le son produit par un haut-parleur est obtenu par le déplacement cl' une membrane mobile. Cette membrane a une fréquence de résonance propre liée à sa masse et à la raideur de ses suspensions qui lui confèrent la mobilité. En première approximation, pour des fréquences de déplacements oscillatoires de la membrane au-delà de sa fréquence de résonance mécanique, la force nécessaire au déplacement de la membrane à accélération oscillatoire d'amplitude constante est quasi-constante. Par contre, en-deçà de sa fréquence de résonance mécanique, la force nécessaire au déplacement de la membrane à accélération oscillatoire d'amplitude constante croît fortement à mesure que la fréquence des mouvements oscillatoires diminue en raison de la part prépondérante de la raideur des suspensions par rapport à la masse. Ainsi, les concepteurs de haut-parleurs ont cherché à obtenir une fréquence de résonnance mécanique de la membrane du haut-parleur, avec ses suspensions, la plus petite possible car cette fréquence de résonance fixe la fréquence d'utilisation basse du haut-parleur. [0003] Le rendement acoustique d'un haut-parleur à l'air libre est réduit en raison du court- circuit acoustique liée à l'annulation réciproque des ondes « avant » et « arrière » produites par la membrane du haut-parleur. Pour éviter cette annulation, les haut-parleurs sont le plus souvent placés dans des caissons de telle sorte qu'uniquement. une seule onde produite par la membrane, par exemple l'onde avant produite par l'avant de la membrane, soit diffusée. L'onde opposée est confinée dans l'enceinte. [0004] Dans le cas d'une enceinte close, la fréquence de résonance mécanique de la membrane augmente à mesure que le volume interne de la boîte diminue. Ceci est dû à la compression/décompression de l'air interne au caisson lors des mouvements oscillatoires dc la membrane. En effet, la compression/décompression dc l'air se comporte comme un ressort non-linéaire dont la raideur dépend du volume de la boîte et de l'amplitude du déplacement dc la membrane. [0005] En raison, dc cette augmentation de la fréquence de résonance du haut-parleur en raison dc la diminution du volume de la boîte dans laquelle il est placé, les fabricants d'enceintes sont contraints d'utiliser des enceintes de grandes dimensions afin 2 d'obtenir une reproduction sonore en basses fréquences à des volumes sonores élevés car le déplacement de la membrane sera d'autant élevé que la fréquence du son à reproduire sera basse. [0006] Pour résoudre ce problème général, il est connu de lier la membrane à un mécanisme dit anti-ressort de manière à réduire la valeur de la raideur équivalente vue par la membrane. [0007] Avec cc mécanisme anti-ressort, il est possible de réaliser des enceintes closes de volume interne réduit ayant des fréquences de résonance de la membrane suffisamment basses afin de reproduire des fréquences sonores de basses fréquences. [0008] Pour créer ce mécanisme anti-ressort, différentes solutions ont été proposées, notamment des solutions mettant en oeuvre des pompes pour équilibrer les pressions interne et externe à l'enceinte, ou encore des lames élastiques appliquées sur la membrane du haut-parleur. [0009] Par exemple, le document US 2 810 021 décrit un haut-parleur dans lequel la membrane est liée à une tige sollicitée axialement par des ressorts hélicoïdaux disposés radialement et reliés à la tige axiale par une lame deformable élastiquement en forme de coupelle. [0010] La mise au point d'un tel mécanisme est particulièrement complexe notamment puisqu'il est très délicat de dimensionner les ressorts et la coupelle ainsi que les moyens de liaison afin de faire que le mécanisme anti-ressort puisse appliquer une force de valeur souhaitée pour chaque position de la membrane. [0011] L'invention a pour but de proposer une enceinte acoustique dont la réalisation du mécanisme anti-ressort est facilitée, et dont la valeur de la force appliquée par ce mécanisme est bien maîtrisée quelle que soit la position de la membrane. [0012] A cet effet, l'invention a pour objet une enceinte acoustique du type précité, ca- ractérisée en ce que le mécanisme comporte une came mobile par rapport au caisson suivant un axe de déplacement de la came sous l'action de déplacement de la membrane et au moins un suiveur de came sollicité transversalement à la came par au moins un ressort et en appui sur la came, la came présentant au moins une surface de came propre à convertir l'effort transversal du ou chaque ressort en un effort axial sur la came dont l'intensité varie en fonction de la position de la came par rapport au caisson. [0013] Suivant des modes particuliers de réalisation, l'enceinte acoustique comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : [0014] - la came est liée à la membrane du haut-parleur par une tige s'étendant suivant l'axe de déplacement de la membrane ; [0015] - elle comporte un joint élastique de guidage reliant la tige au caisson ; [0016] - la came est reliée à une paroi mobile par rapport au caisson, la paroi mobile dé- 3 limitant avec le caisson une chambre arrière essentiellement close et une chambre avant essentiellement close délimitée partiellement par la membrane du haut-parleur ; [0017] - la came comporte au moins deux surfaces de carne réparties angulairement autour de l'axe (de déplacement de la came et le mécanisme de sollicitation axiale de la membrane comporte pour chaque surface de came un suiveurs de came sollicités vers l'axe de déplacement de la came et la came étant enserrée entre les suiveurs de came ; [0018] - le ou chaque suiveur de came comporte un élément rotatif propre à rouler sur la came ; [0019] - le ou chaque suiveur de came est porté par un bras élastique précontraint s'étendent dans un plan transversal à l'axe ; [0020] - la came comporte une plage dont la distance à l'axe de déplacement de la came 54 est localement constante suivant l'axe de déplacement de la came, cette plage étant en contact avec le ou chaque suiveur de came lorsque la membrane est en position de repos de sorte qu'aucune force ne soit appliquée par la came sur la membrane par la came dans cette position de repos de la membrane ; [0021] - la came comporte sur une plage inclinée par rapport à l'axe de déplacement de la came. [0022] - de la surface de came suivant la plage inclinée est progressivement croissante suivant l'axe de déplacement de la came à l'écart de la zone de contact avec le suiveur de carne lorsque la membrane est en position de repos de sorte que la carne impose une force d'intensité croissante à la membrane au fur et à mesure du déplacement de la membrane à l'écart de sa position de repos. [0023] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : [0024] - [fig.1] la figure 1 est une vue en section longitudinale d'une enceinte selon un premier mode de réalisation de l'invention ; [0025] - [fig.2] la figure 2 est une vue en section partielle de la came et du galet du mécanisme anti-ressort de l'enceinte de la figure 1 ; [0026] - [fig.3] la figure 3 est une vue identique à celle de la figure 1 d'une variante de réa- lisation d'une enceinte selon l'invention ; et [0027] - [fig.4] la figure 4 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un mécanisme anti-ressort d'une enceinte selon l'invention. [0028] L'enceinte acoustique 10 illustrée sur la figure 1 est une enceinte close. Elle comporte un caisson 12 délimitant une chambre 14 essentiellement close séparée de l'environnement extérieur. [0029] Le caisson 12 comprend des parois rigides et imperméables reliées les unes aux autres. Un évent de décompression calibré 16 est ménagé au travers d'une paroi pour permettre un équilibre des pressions entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte lors des variations lentes de pression atmosphérique. Cet évent de décompression 16 est suffisamment petit pour éviter la circulation d'air depuis et vers la chambre 14 lors du fonctionnement de l'enceinte et notamment lors des mouvements de la membrane du haut-parleur. [0030] Comme connu en soi, l'enceinte comporte un haut-parleur 20 comportant une membrane 22 mobile au travers d'un trou du caisson. La membrane 22 délimite localement la chambre 14 et assure l'étanchéité de celle-ci. La membrane 12 est reliée aux parois latérales du caisson par un joint étanche déformable 24. [0031] Le haut-parleur comporte un moteur 30 à commande électrique d'actionnement de la membrane 22 pour son déplacement suivant un axe X-X. Comme connu en soi, le moteur comporte essentiellement un électro-aimant, ayant une carcasse 32 solidarisée au caisson 12 par des bras de liaison 34 et un bobinage 36 porté par un équipage mobile 38 à l'extrémité de laquelle est portée la membrane 22. [0032] Le bobinage 36 est relié, comme connu en soi à des bornes 39 de connexion de l'enceinte acoustique à un amplificateur. [0033] L'équipage mobile 38 est guidé par rapport au caisson 12 pour un déplacement suivant l'axe X-X par un joint élastique formé d'une plaque textile ondulée élastique et perméable à l'air 41 connue sous le nom de spider. Cette structure textile délimite des passages de circulation d'air permettant d'équilibrer les pressions de part et d'autre du spider. [0034] L'enceinte 10 comporte un mécanisme anti-ressort 50 agissant sur la membrane 22 et propre à compenser l'effet des variations de pression de l'air dans la chambre 14 lors des mouvements de la membrane 22. [0035] Dans ce mode de réalisation, le mécanisme anti-ressort 50 est un mécanisme élastique de sollicitation axiale de la membrane 22 à l'écart de sa position médiane de repos à l'encontre de la force de pression exercée par l'air contenu dans le caisson sur la membrane, c'est-à-dire suivant le sens de déplacement de la membrane. [0036] Le mécanisme 50 comporte une tige 52, s'étendant suivant l'axe X-X, reliée, à une extrémité, à l'équipage mobile 38 portant la membrane 22 et, à son autre extrémité, à une came 54 mobile par rapport au caisson 12. La tige 52 est ainsi entraînée par l'équipage mobile 38. [0037] La tige 52 traverse axialement le moteur d'actionnement 30 du haut-parleur. [0038] La came 54 est généralement de révolution d'axe X-X. Elle présente une surface de came continue de révolution formant dans un plan passant par l'axe X-X deux surfaces de came diamétralement opposées 56A, 56B. Ces surfaces de came sont axisymétriques pal- rapport à l'axe X-X. [0039] La came 54 est enserrée entre deux suiveurs de came 58A, 58B sollicités transver- salement à l'axe X-X par des ressorts 60A, 60B maintenant les suiveurs de came au contact des surfaces de came 56A, 56B. [0040] Les suiveurs de came 58A, 58B comportent avantageusement chacun un élément rotatif 62A, 62B tel qu'un galet propre à rouler suivant la longueur des surfaces de came 56A, 56B. L'axe de rotation des galets s'étend perpendiculairement à l'axe X-X. [0041] Avantageusement, et comme illustré sur la figure 2, les galets 62A, 62B présentent une forme de diabolo, avec une surface concave complémentaire à la surface cylindrique de la came 54. [0042] Les ressorts 60A, 60B s'étendent transversalement par rapport aux surfaces de came. Ils sont coaxiaux d'axe Y-Y sécant à l'axe X-X. Ces ressorts, maintenus constamment comprimés et s'appuient à une extrémité sur le caisson 12 et à leur autre extrémité sur l'axe des galets rotatifs 62A, 62B formant les suiveurs de came. [0043] Un spider complémentaire 70, ménagé entre la came 54 et le moteur d'actionnement 32 assure le guidage axial de la tige 52 et de la carne 54 pour assurer un déplacement de ceux-ci suivant l'axe X.X. Comme le spider 40, le spider 70 est perméable au gaz. [0044] Les surfaces de came 56A, 56B présentent en partie médiane, suivant la longueur de l'axe X-X et en section suivant le plan de parcours des galets, une plage 72 dont la distance à l'axe X-X de déplacement de la came est localement constante suivant l'axe X-X de déplacement de la came. Cette plage 72 s'étend sur quelques dixièmes de millimètres suivant l'axe X-X. Cette plage médiane 72 est positionnée sur la came de sorte que chaque galet appuie sur cette plage médiane lorsque la membrane 22 est en position de repos, c'est-à-dire dans une position médiane entre les deux positions extrêmes pouvant être occupées sous l'action du moteur 30. [0045] De part et d'autre de cette partie médiane, les surfaces de came 56A, 56B présentent des plages 74 inclinées par rapport à l'axe X-X. L'inclinaison de ces plages augmentent en s'écartant suivant l'axe X-X de part et d'autre de cette plage médiane de sorte que lorsque les suiveurs de came s'écartent de la zone médiane, l'angle entre l'axe X-X et la normale au point de contact du galet sur la surface de came augmente de sorte que, la force appliquée sur la membrane augmente. [0046] Ainsi, la distance entre l'axe X-X et un point de la surface de came diminue en s'écartant de la plage médiane 72. Les surfaces de came sont convergentes à l'écart de la zone médiane. [0047] Le haut-parleur illustré sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. [0048] Sous l'action du courant électrique appliqué au bobinage 36, la membrane 22 se déplace comme connu en soi. Lors du déplacement de la membrane, la came 54, entraînée par la membrane, se déplace axialement par rapport aux suiveurs de came 58A, 58B. Les suiveurs de came exercent alors une force dirigée suivant l'axe Y-Y vers l'axe X-X sur les surfaces de came 56A, 56B. Ces surfaces de came étant inclinées et maintenues suivant l'axe Y-Y entre les deux galets, la surface de came est 6 soumise à une force axiale, laquelle est appliquée à la membrane 22 au travers de la tige 52. [0049] Si la membrane 22 est déplacée vers l'intérieur du caisson 12, conduisant à comprimer l'air dans la chambre 14, la came 54 est déplacée à l'écart de la membrane 22. Sous l'action des ressorts 60A, 60B agissant au travers des suiveurs de came 62A, 62B, la came 54 est sollicitée dans son sens de déplacement. [0050] La surpression dans l'enceinte 14 agit sur la membrane 22 pour sortir la membrane 22 hors du caisson 12. Au contraire, la came 54 produit une force de rappel de la membrane 22 à l'intérieur du caisson. Avantageusement, la forme de la came 54 est adaptée pour que la somme des deux forces produites par la came et celle résultant de la surpression dans la chambre 14 s'annule pratiquement en tout point de la came ou est égale à une valeur désirée en tout point de la came. [0051] De même, lorsque la membrane 22 est poussée en dehors du caisson 12 par le moteur 30, une dépression naît à l'intérieur de la chambre 14 visant à rappeler la membrane vers l'intérieur du caisson. Dans cc cas, la came 54 exerce sous la sollicitation des ressorts 60A, 60B une force sur la membrane 22 conduisant à repousser celle-ci en dehors du caisson 12, compensant ainsi l'effet de la dépression dans la chambre 14. [0052] La forme de la surface de came permet de transformer une partie d'une force FR, exercée par les ressorts 60A et 60B suivant l'axe Y-Y en une force FR, suivant l'axe X-X. [0053] A la position d'équilibre, x=0 correspondant à la position de repos de la membrane 22, la surface de la came ayant une plage 72 dont la distance à l'axe X-X de déplacement de la came est localement constante suivant l'axe X-X de déplacement de la came. La surface de came est telle que la force 'FR x suivant l'axe X-X appliquée par la came sur la membrane 22 par l'intermédiaire de la tige 52, est nulle. A la position d'équilibre, x=0, les galets appuient sur la plage médiane de la surface de la came 54 qui est parallèle à l'axe X-X. [0054] Compte tenu de la forme convexe des surfaces de la came 54, la membrane 22 subit, lors de son déplacement, une force F R x, par l'intermédiaire de la tige 52, suivant l'axe X-X dans le même sens que celui du déplacement. L'amplitude de cette force dépend de l'angle formé par la surface de la came 54 avec l'axe X-X au point de contact des galets 62A, 62B. Cette force est de la forme : [0055]FRx = KR(X) .X - avec KR(X) S.: 0 [0056] La raideur K R(x) est négative car elle produit une force dans le même sens que le déplacement de la membrane. [0057] Lors du déplacement de la membrane 22 par l'action du courant circulant dans la bobine, plusieurs raideurs sont mises en jeu : 7 [0058] Km(x)> 0, la raideur de l'ensemble formé du joint de guidage 24 et des spiders de guidage 41 et 70 ; [0059] Ka/ r x 0, la raideur liée à la compression/décompression de l'air interne de la chambre 14 ; 100601 K R ) O pour un déplacement vers la gauche. [0073] F = K T(x)x Force à compenser (caisson + suspensions de l'équipage mobile) avec K (x) =K-,),(x) +Kair(x) ?0 100741 La force Fi s'oppose au déplacement de l'équipage mobile 100751 Force vers la droite avec déplacement positif de l'équipage 100761 mobile vers la gauche. 100771 Y B Déplacement du galet transversalement à l'axe X-X 100781 YB 0, la force FR x s'oppose à la force FT 100841 a c = a Angle au point de contact galet-came entre la transversale à l'axe X-X au point de contact et la normale à la surface au point de contact. Même angle que celui donné par la pente de la came au point de tangence. 100851 (XEG', Y BC I Equation de la came = Point de contact galet-came [0086] XBc = X - rB Sin (a ) Position suivant X-X d'application de la force du galet avec [0087] r B rayon du galet [0088] y s = yie 1-B ( - cos ( a ) ) Position transversale à l'axe X-X du point de contact du galet sur la came [0089] Le profil 4 de la came est donné par la fonction exprimant Y n c en fonction de X B C. [0090] A l'équilibre : FRx + F T = Fmin [0091] avecFmin(x)=Kininx est la force résiduelle restante après compensation. > 0. [0092] =>k8 (yR).( YBo yR ).tan (a) = (KT(x)-Kmin).x BC = f PCBC) carne [0093] Ce qu'on cherche à déterminer : Y [0094] Avec : XE = X - roin ( a ) et yBc = y h, + rB(1- cos ( a ) ), il vient : 100951 kdo.sc -r,(1-cos (a )))-(Ysn-EYE, ip(1 cos (a ))).Lan (cr)= (K,(xEr-roin (a )) -K' .(x, resin (a )) 100961 A partir des relations géométriques suivantes : 100971 aYBC ' tan (a ) -y Bc. - dxsc cos ( a ) cos ( atan ( -y /3' c. ) ) - 1 1± y Bc Y BC ( Y F3 C ) ) + y 1/1 BC [0098] La résolution de l'équation différentielle non-linéaire finale permet d'obtenir Y.Re en fonction de N n C : [0099] . My,c-r,;11- ,, 1 2))-Ho-Y,:c- 1 i' ( 1, ) A x, -Fis Y" 1 ' \ nc ;:l. F ) 5,21). "C ( 1 ' ,:1- F y;),2 I K"'"?.kxsc rs,1-) [0100] La valeur choisie pour Kmin