Haut-parleur

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Un haut-parleur
Schéma de coupe d'un haut-parleur

Un haut-parleur, ou hautparleur[1], est un transducteur électroacoustique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. Il est en cela l'inverse du microphone. Par extension, on emploie parfois ce terme pour désigner un appareil complet destiné à la reproduction sonore (voir Enceinte).

Trois types de haut-parleurs, électrodynamique, électrostatique et piézoélectrique, représentent les technologies actuelles les plus courantes. Le haut-parleur électrodynamique, couvrant environ 99 % du marché, a encore un fonctionnement relativement simple pour une technologie de masse.

Le 10 décembre 1877[2], le premier brevet concernant un haut-parleur à bobine mobile fut accordé à Werner von Siemens. Le haut-parleur remplit une gamme très variée d'applications : on trouve des haut-parleurs aussi bien dans des cartes de vœux que reliés à des amplificateurs de puissance pour concert.

Haut-parleur de type électrodynamique

Principe de fonctionnement

Coupe dans le moteur du haut-parleur : bobine et suspension arrière (spider)

Il fonctionne selon le principe suivant :

  1. Un moteur transforme l'énergie électrique en énergie mécanique ;
  2. ce moteur transmet cette énergie mécanique à la membrane ;
  3. la membrane transmet l'énergie mécanique à l'air ambiant – d'où le son.

Le moteur est constitué comme suit :

  • Un ensemble générant un champ magnétique B permanent (invariable dans le temps) dans un espace donné appelé entrefer. Cet espace est déterminé par la géométrie mécanique cc du moteur (voir plus loin). La source de champ magnétique est généralement un aimant permanent de type torique, de faible épaisseur relative par rapport à sa surface, polarisé dans le sens axial. Dans les anciens récepteurs à tubes, ce champ magnétique était produit par une bobine qui servait également d'inductance de filtrage dans l'alimentation. Cette technique est tombée en désuétude dès lors que des aimants permanents de coût et de qualité raisonnables sont apparus sur le marché. Le champ est concentré dans la culasse (plaque collée sur la face arrière de l'aimant), puis réorienté par le noyau central cylindrique vers la face opposée de l'aimant. Le champ en face avant est orienté dans la plaque de champ.
  • Une bobine de fil (de cuivre ou d'aluminium et moins couramment d'argent) sur un support cylindrique (en papier, aluminium, Kapton, fibre de verre ou un composite de ces matériaux) est plongée dans cet entrefer dans le sens axial.
  • Lorsqu'un courant parcourt cette bobine, du fait de la tension que l'on fixe à ses bornes, une force (F) tend à faire sortir la bobine du champ B de l'entrefer dans le sens axial. cette force est définie par la formule F=B*L*i*sin(α) (Force de Laplace), B étant le champ dans l'entrefer, L la longueur de fil de la bobine introduite dans l'entrefer, i le courant parcourant la bobine, et l'angle α (alpha) qui est égal à l'angle entre le vecteur B et le vecteur I : donc dans le cas du haut-parleur, sin(α) sera toujours égal à 1. La force F est proportionnelle à i, si B est constant (ce qui est le cas si l'ensemble magnétique est bien conçu) et si L est constant quel que soit le déplacement de la bobine : il faut donc veiller à ce que la bobine soit montée symétriquement par rapport au champ, de manière que la longueur de fil qui sort de l'entrefer soit compensée par celle qui rentre dans l'entrefer.

La modélisation mathématique du haut-parleur repose largement sur les travaux de Thiele et Small. Dans ce modèle, le haut-parleur est caractérisé grâce aux paramètres Thiele/Small (en)[3]. Malgré certaines insuffisances liées à la complexité du transducteur qu'est le haut-parleur, ce modèle reste le plus largement utilisé à ce jour par les concepteurs de matériel électro-acoustique.

Refroidissement du haut-parleur

La double conversion énergétique, électrique-mécanique puis mécanique-acoustique n'est pas parfaite. La conversion électromécanique se fait avec une perte de rendement essentiellement par effet Joule.

Lutter contre cette chaleur permet :

  • de maintenir les caractéristiques électriques de la bobine mobile.
  • de ne pas atteindre le point de curie de son moteur magnétique afin de garder le flux magnétique constant
  • de ne pas entraîner de dégâts physiques sur les fils composant la bobine.

Ces trois paramètres sont importants pour maintenir une distorsion la plus basse possible lors du déplacement de la bobine. La distorsion apparaît lorsque les mouvements de la bobine ne sont plus une fonction linéaire du courant. Les solutions des constructeurs sont toutes fondées sur une des deux approches suivantes :

  • La réduction de la consommation.
  • la dissipation thermique.

La réduction de la consommation

La réduction de la consommation électrique se fait en augmentant le champ magnétique ou en augmentant le nombre de spires qui se trouvent dans ce champ (voir la formule de l'inductance), ce qui permet de réduire l'intensité électrique tout en ayant un niveau sonore équivalent.

En réduisant la masse de la membrane ou en assouplissant la suspension, on réduit la charge et donc aussi la consommation électrique.

La dissipation thermique

La chaleur est fabriquée par la bobine mobile selon la formule . avec :

  •  : la résistance en courant continue de la bobine
  •  : l’intensité en ampère du courant traversant la bobine.

Cette chaleur est bloquée par la membrane et le spider pour la partie avant. À l’arrière son évacuation est freinée par les plaques de champ et le noyau central ou une culasse. Pour l’évacuer, il existe plusieurs solutions qui sont souvent utilisées conjointement.

Une membrane radiateur. La bobine mobile fixée à la membrane peut transmettre la chaleur à cette dernière si la résistance thermique entre ces dernières est faible. Ce système est utilisé sur les AE1 de la société Acoustic Energy. La membrane métallique agit comme un radiateur. Une AE1 admet 200 watts efficaces pour un 90 mm.

Les radiateurs additionnels. En ajoutant des radiateurs sur le pourtour de la culasse du haut-parleur, on évacue la chaleur captée par les plaques de champ et le noyau central. Chez Boston Acoustique, cette solution est surtout utilisée sur les tweeters.

En introduisant une tige métallique dans le noyau central reliée à un radiateur, la chaleur est conduite par cette passerelle thermique vers l’extérieur de l’enceinte. De plus elle permet de rigidifier le coffret en se comportant comme un tasseau.

Des puits d’aération. En perçant le noyau central ou la culasse on crée un passage d’air. La chaleur transmise au noyau central par la bobine est évacuée par ce puits. C’est le Vented Gap Cooling de JBL. Ce système offre un refroidissement limité à la partie de la bobine proche de la partie avant. JBL a inventé une solution qui ventile la bobine par trois petits puits dans la périphérie du noyau central. L’air atteint directement le cœur de la bobine, c’est le Super Vented Gap de JBL. La compression dynamique est maintenue à quelques décibels. Un haut-parleur ayant une bobine de faible diamètre comme les EV subira une compression de l'ordre de 7 dB.

Une solution plus simple est de percer de part en part la plaque arrière et le noyau central ou la culasse. Le trou débouche sur la plaque de champ arrière. Plusieurs solutions d’évacuations sont possibles.

Le watercooling. En insérant un ferrofluide dans l’entrefer, on diminue la résistance thermique par rapport à l’air et on transmet mieux la chaleur aux plaques de champ avant et au noyau central qui l’évacuent ensuite. C’est une solution mise en place chez Dynaudio et sur de nombreux tweeters comme chez Audax. Les particules font environ 10 nm et sont à base de Fe3O4 . Cette matière est aussi un frein aux déplacements de la bobine diminuant aussi le rendement global du moteur. La puissance admissible par contre fait un bond et la courbe d’impédance pour les tweeter est très amortie offrant par conséquent un filtrage à pente plus faible possible. Cette solution s’est généralisée chez de nombreux fabricants.

La ventilation latérale. En disposant des aimants circulaires non jointifs autour de la bobine, on facilite le passage de l’air vers l’extérieur, diminuant ainsi la température. Focal adopte le multi-aimants sur ses systèmes haut de gamme.

En installant un espace entre le saladier et le spider, pour assurer une circulation d'air, la bobine est refroidie sur sa partie avant comme sur la gamme stratos de Triangle.

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