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Fonctionnement d’un haut-parleur
Le fonctionnement d'un haut-parleur
Comment est produit le son ?
Le son émit par le haut-parleur est généré par le déplacement d’avant en arrière d’une membrane, ce qui met en mouvement l’air ambiant, et produit des fréquences audibles.
Le nombre de déplacements de la membrane par seconde détermine la fréquence du son. Plus le nombre de déplacement avant/arrière de la membrane est élevé, plus la fréquence émise sera aiguë.
A l’inverse quand le nombre de déplacement de la membrane sera faible, le son sera plus grave.
Quand la membrane fait un aller/retour par seconde, elle produit une fréquence de 1Hz.
La « bande passante » audio est arbitrairement comprise entre 20 et 20 000 Hertz, ce qui signifie que la membrane peut se déplacer de 20 à 20 000 fois par seconde.
Si on raccorde la sortie d’un amplificateur au haut-parleur, le courant alternatif fourni par l’amplificateur va ainsi se transformer en énergie mécanique fournie par la membrane du haut-parleur, ce qui produit le son.
Comment fonctionne le haut-parleur ?
Un haut-parleur électrodynamique classique, comme ceux qui sont utilisés dans la majorité des enceintes acoustiques, fonctionne sur le principe d’une bobine placée dans le champ d’un électro-aimant. Quand on applique un courant alternatif à l’électro-aimant, la bobine vibre. Si on colle une membrane à la bobine on obtient du son. C’est tout simple !
Comment ça se passe en pratique ?
Le haut-parleur est constitué de deux parties :
– Une partie fixe, comprenant le châssis du haut-parleur, un aimant, deux plaques polaires et un noyau.
– L’équipage mobile comprenant une bobine mobile, une membrane, une suspension et un spider.
L'équipage mobile
Commençons par la partie mobile, c’est la plus importante.
Pour mettre l’air en mouvement, le haut-parleur utilise une membrane, le plus souvent en carton, mais qui peut également être construite en composite, en kevlar, en alliage aluminium/magnésium etc…
La membrane est prolongée d’une bobine mobile, a l’avant de la membrane est collée la suspension périphérique, et à l’arrière de la membrane est collé le spider qui est la suspension arrière.
Le rôle de la suspension et du spider est double :
– Ils permettent d’aligner et de centrer parfaitement la membrane et la bobine mobile dans l’entrefer.
– Ils exercent une force de rappel sur la membrane ce qui permet de limiter son excursion dans une zone contrôlée.
L’ensemble de ces pièces en mouvement s’appelle « l’équipage mobile »
La partie fixe
La partie fixe est constituée de trois éléments
- Le châssis du haut-parleur, vulgairement appelé « saladier, réalisé en acier, en aluminium, ou en plastique
- L’aimant en ferrite ou parfois en alliage néodyme plus léger
- Les plaques de champ avant et arrière ainsi que le noyau
Principe de Fonctionnement
Un haut-parleur électrodynamique convertit un signal électrique en un signal acoustique. Il est constitué de plusieurs composants clés :
- Membrane (Cône) : Généralement fabriquée en carton ou en un autre matériau léger et rigide, la membrane est responsable de la mise en mouvement de l’air pour créer des ondes sonores. Elle est fixée à une bobine mobile à l’arrière
- Bobine Mobile : La bobine est enroulée autour d’un support cylindrique et se déplace dans un espace très étroit appelé entrefer, situé entre les pôles d’un aimant. Lorsque le courant électrique passe à travers la bobine, il crée un champ magnétique qui interagit avec le champ de l’aimant, produisant un mouvement de va-et-vient de la bobine et de la membrane.
- Aimant : L’aimant permanent crée un champ magnétique stable dans l’entrefer. La bobine mobile, lorsqu’elle est traversée par un courant électrique, interagit avec ce champ pour produire le mouvement nécessaire à la génération du son.
- Suspensions et Spider : Ces éléments maintiennent la membrane en place tout en permettant son mouvement. La suspension est située à l’avant de la membrane, tandis que le spider est à l’arrière. Ils assurent que la bobine mobile reste centrée dans l’entrefer et permettent un mouvement linéaire sans frottement
Fonctionnement Électrique
Le fonctionnement d’un haut-parleur électrodynamique peut être modélisé par un circuit électrique équivalent, notamment à basse fréquence.
Les paramètres de ce modèle, tels que l’impédance électrique, varient en fonction de la fréquence et des conditions de fonctionnement du transducteur.
Ces paramètres peuvent être mesurés et ajustés pour améliorer la performance et la modélisation du haut-parleur
Enceinte Acoustique
Pour fonctionner correctement, un haut-parleur électrodynamique doit être monté dans une enceinte acoustique.
L’enceinte permet de contrôler l’onde arrière produite par la membrane, évitant ainsi les interférences destructives avec l’onde avant qui pourraient réduire les performances, notamment dans les basses fréquences.
Les types d’enceintes les plus courants sont l’enceinte close et l’enceinte accordée (Bass-reflex)
En résumé
Le haut-parleur électrodynamique est un dispositif complexe qui repose sur des principes électromagnétiques pour convertir efficacement les signaux électriques en ondes sonores. Son design et son fonctionnement sont optimisés pour différentes gammes de fréquences, et il nécessite une enceinte acoustique pour une performance optimale.
Pourquoi les basses et les aigus nécessitent des membranes différentes
Les basses et les aigus nécessitent des membranes différentes principalement à cause des différences dans les fréquences qu’elles doivent reproduire et les caractéristiques mécaniques et acoustiques associées.
Les basses fréquences ont des longueurs d’onde longues et requièrent des déplacements d’air importants. Pour cela, les membranes des haut-parleurs de basses (comme les woofers) sont plus grandes, plus lourdes et plus épaisses afin de pouvoir se déplacer sur de plus grandes excursions sans se déformer excessivement. Ces membranes doivent être capables de supporter de forts déplacements pour générer des sons graves puissants et profonds.
À l’inverse, les aigus ont des longueurs d’onde très courtes et des fréquences élevées nécessitant des mouvements rapides mais peu importants. Les membranes des haut-parleurs d’aigus (tweeters) sont donc très petites, légères et rigides, ce qui leur permet d’avoir une excellente réponse en fréquence élevée et d’éviter les déformations qui entraîneraient une perte de clarté ou des distorsions sonores.
De plus, la rigidité de la membrane est importante pour limiter le fractionnement (déformations non uniformes) qui altérerait la qualité du son, surtout dans les hautes fréquences. La masse plus grande des membranes de basse limite leur capacité à reproduire proprement les aigus. C’est pourquoi on utilise des haut-parleurs distincts adaptés chacun à une plage de fréquences spécifique, avec des membranes aux propriétés physiques optimisées pour chaque gamme.
En résumé, les membranes des basses sont grandes, lourdes et flexibles pour déplacer beaucoup d’air à basse fréquence, tandis que celles des aigus sont petites, légères et rigides pour reproduire avec précision et rapidité les fréquences élevéesL.
Paramètres Thiele et Small essentiels
Les paramètres Thiele et Small (T&S) sont un ensemble de mesures électromécaniques importantes qui décrivent comment un haut-parleur se comporte, surtout dans les basses fréquences. Ces paramètres sont essentiels pour concevoir des enceintes acoustiques efficaces et pour choisir ou remplacer un haut-parleur.
Voici les principaux paramètres à connaître :
Fs (Fréquence de résonance) : C’est la fréquence à laquelle la masse mobile (membrane + bobine) et la raideur de la suspension s’équilibrent. À cette fréquence, le haut-parleur vibre naturellement.
Qms (Facteur de qualité mécanique) : Mesure l’amortissement mécanique du haut-parleur, donc la manière dont la suspension freine les mouvements de la membrane.
Qes (Facteur de qualité électrique) : Mesure l’amortissement électrique lié à la bobine et à l’aimant. Elle représente combien le système électrique freine les vibrations.
Qts (Facteur de qualité total) : Combine les effets mécaniques et électriques. C’est essentiel pour déterminer le type d’enceinte adaptée.
Vas (Volume équivalent de la suspension) : C’est le volume d’air qui aurait la même raideur que la suspension du haut-parleur. Utile pour calculer la taille de l’enceinte.
Sd (Surface de la membrane) : Surface active qui déplace l’air pour produire le son.
Cms (Souplesse de la suspension) : Inverse de la raideur, elle indique la flexibilité de la suspension.
Mms (Masse mobile totale) : Masse de la membrane, bobine et masse acoustique entrainée.
Re (Résistance électrique de la bobine) : Résistance du fil de la bobine en courant continu.
Bl (Produit force-magnétique x longueur fil) : Mesure de la force exercée par le champ magnétique sur la bobine.
Ces paramètres permettent de modéliser le haut-parleur par un circuit équivalent et de prédire son comportement dans une enceinte. Ils sont utilisés pour optimiser la conception des enceintes et garantir un son précis et équilibré.
Comment un cône (membrane) influence la réponse en fréquence des haut-parleurs
Une membrane influence la réponse en fréquence des haut-parleurs par plusieurs mécanismes liés à sa masse, sa rigidité, sa taille et son comportement vibratoire.
La masse de la membrane joue un rôle clé : une membrane plus lourde a une fréquence de résonance plus basse, ce qui favorise la reproduction des basses fréquences. Cependant, cette même masse limite la capacité du haut-parleur à reproduire les hautes fréquences, car elle agit comme un filtre passe-bas, réduisant la sensibilité en aigu. À l’inverse, une membrane légère peut reproduire les hautes fréquences avec une meilleure précision mais moins bien les basses.
La taille de la membrane impacte aussi la directivité et la réponse en fréquence. À mesure que la fréquence augmente et la longueur d’onde diminue, la membrane cesse de vibrer de manière unitaire (comportement piston) et commence à se fractionner, créant des non-linéarités et des accidents dans la réponse en fréquence. Une membrane plus grande devient plus directive et peut causer des phénomènes d’interférences acoustiques qui affectent le spectre sonore.
La rigidité de la membrane influence ses résonances. Une membrane très rigide aura des résonances marquées en hautes fréquences, ce qui peut induire des colorations et des distorsions sonores. Une membrane plus souple est mieux amortie, ce qui réduit ces effets mais peut diminuer la précision dans certains registres.
La membrane détermine la réponse en fréquence du haut-parleur en modulant la capacité à reproduire différentes fréquences selon sa masse, sa taille, sa rigidité et son comportement vibratoire. Ces caractéristiques fixent la limite entre basses et aigus, la directivité et la qualité sonore globale
Comparer les cônes (membranes) papier, métal et composite pour les graves
Voici une comparaison des cônes (membranes) en papier, métal et composite pour les graves, basée sur leurs caractéristiques acoustiques et mécaniques.
Membrane en papier : elle est légère, offre un excellent amortissement interne grâce à l’entrelacement des fibres, ce qui limite les vibrations parasites et assure un son naturel, doux et épais. C’est un matériau traditionnel utilisé dans les woofers pour ses qualités de restitution des graves. Toutefois, elle est sensible à l’humidité et aux variations environnementales, pouvant se déformer avec le temps. Elle est aussi relativement économique et efficace énergétiquement.
Membrane métallique : souvent en aluminium ou en alliages légers, ces membranes sont très rigides et offrent une très bonne dynamique ainsi qu’un contrôle précis des distorsions. Cependant, elles manquent d’amortissement interne, ce qui peut entraîner un son métallique caractéristique dans les hautes fréquences du registre grave, moins naturel. Elles requièrent un traitement spécifique de surface et une conception soignée pour réduire ces effets indésirables, ce qui peut augmenter les coûts.
Membrane composite : ce sont des structures sandwich combinant différents matériaux (comme fibre de lin, fibre de verre, résines) pour concilier légèreté, rigidité et amortissement. Les composites modernes comme la membrane “Flax” ou les membranes sandwich “W” offrent une excellente maîtrise de la réponse en fréquence, avec un son neutre, naturel, bien défini et peu de distorsion. Elles maintiennent un excellent contrôle des vibrations, surpassant souvent les membranes traditionnelles, ce qui les rend prisées dans des enceintes de moyenne à haute gamme.
En résumé, pour les graves, les membranes en papier privilégient la naturalité et l’amortissement, les métalliques la précision et la dynamique au prix d’une certaine coloration, et les composites un compromis haut de gamme optimisé en performance acoustique.