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Haut-parleur

Généralités

Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. On emploie parfois aussi ce terme pour désigner l'appareil destiné à l'émission sonore dont il est un des constituants principaux (dans ce cas, se reporter à l'article "enceinte acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires...)").

Principe et historique

Un haut parleur.
Un haut parleur.

Pour produire des sons, il faut faire vibrer de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser...). Un haut-parleur (Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un signal électrique. On emploie parfois aussi ce terme pour désigner l'appareil destiné à l'émission sonore dont il est un...) est généralement constitué d'une membrane mobile en carton ou en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) synthétique, d'une bobine mobile attachée à cette membrane, d'un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme...) disposé entre les pôles desquels elle vibre, et enfin d'un cadre destiné à soutenir le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.). Quand on fait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) du courant dans un fil qui est placé dans un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...), ce fil est soumis à des forces dites de Laplace, lesquelles peuvent mettre le fil en mouvement. Le haut-parleur transforme d'abord le courant qu'on lui assigne en mouvement de la bobine de fil. Or, celle-ci met en mouvement la membrane du haut-parleur, qui elle-même met l'air en mouvement. Le son perçu par un homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par...) ou un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances...) étant par nature une vibration de l'air, le haut-parleur " transforme le courant en son. "

Il existe plusieurs types de haut-parleurs : d'une part les types électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre les courants électriques.), isodynamique, électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), piézoélectrique, et le haut-parleur à plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne...). Le haut-parleur électrodynamique – qui couvre environ 99% du marché – a aujourd'hui encore un fonctionnement relativement simple pour une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....).

Le haut-parleur est une invention déjà centenaire. Le 10 décembre 1877, le premier brevet concernant un haut-parleur à bobine mobile fut accordé à C.H Siemens. De nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...), le haut-parleur correspond à une gamme très variée de technologies : on trouve des haut-parleurs aussi bien dans des cartes de vœux que sur des amplificateurs de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) pour concert.

Haut-parleur de type électrodynamique

Principe de fonctionnement

La coupe dans le moteur du haut parleur : bobine et suspension.
La coupe dans le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la...) du haut parleur : bobine et suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode...).

Il fonctionne suivant le principe suivant :

  1. Un moteur transforme l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer....) en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mécanique ;
  2. ce moteur transmet cette énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est une quantité conservée en l'absence de...) à la membrane ;
  3. la membrane transmet l'énergie mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) à l'air ambiant – d'où le son.

Le moteur est constitué comme suit :

  • un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) générant un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique B permanent (invariable dans le temps) dans un espace donné appelé entrefer. Cet espace est déterminé par la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) mécanique du moteur (voir plus loin). La source d'énergie magnétique est généralement un aimant permanent de type torique, de faible épaisseur relative par rapport a sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...), polarisé dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) axial. 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 opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un en face de...) de l'aimant. Le champ en face avant est orienté dans la plaque de champ. L'espace entre la plaque de champ et le noyau est nommé entrefer.
  • une bobine de fil (de cuivre ou aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), parfois argent) sur un support cylindrique (en papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de...), aluminium, Kapton, fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...) 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 (La tension est une force d'extension.) que l'on fixe a ses bornes, une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) (F) tend a 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 alpha (loi de Laplace), B étant le champ dans l'entrefer, L la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur...) de fil de la bobine introduite dans l'entrefer, i le courant parcourant la bobine, et l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) alpha qui est égal à l'angle entre le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer...) B et le vecteur I : donc dans le cas du haut parleur, Sin alpha sera toujours égal a 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 ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) de la bobine : il faut donc veiller à ce que la bobine soit montée symétriquement par rapport au champ, de manière à ce que la longueur de fil qui sort de l'entrefer soit compensée par celle qui rentre dans l'entrefer.

Refroidissement du haut-parleur

La double convertion énergétique, électrique-mécanique puis mécanique - acoustique n'est pas parfaite. Un transductif électromagnétique peut avoir plus de 99 % de perte. La chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) est une des conséquences de ce mauvais rendement; de cette mauvaise efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est le rapport entre ce qui peut être récupéré utilement de la machine sur ce qui a été dépensé pour la faire...). La conversion électrique mécanique se fait avec une perte de rendement par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à...).

Lutter contre cette chaleur permet :

  • de ne pas atteindre le point (Graphie) de curie de son moteur magnétique
  • de ne pas entraîner de dégâts physiques sur les fils composants la bobine.
  • de maintenir les caractéristiques du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) magnétique constant.

Ces trois paramètres sont les facteurs les plus 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 (Dans les mathématiques élémentaires, les fonctions linéaires sont les fonctions les plus simples que l'on rencontre. Ce sont des cas particuliers d'applications linéaires.) du courant. Les solutions des constructeurs sont toutes basées sur une des deux approches suivantes :

  • La réduction de la consommation.
  • la dissipation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et...).

La réduction de la consommation — La réduction de la consommation électrique se fait en augmentant le champs magnétique ou en augmentant la longueur du fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au transport de l'électricité. Il peut être mono-brin ou multi-brin, entouré ou non d'une enveloppe isolante (plastique, téflon,...) qui se trouve dans ce champs, 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 reduit la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) et donc la consommation aussi.

La dissipation thermique — La chaleur est fabriquée par la bobine mobile selon la formule R*I*I. avec :

 
 R: la résistance en courant continue de la bobine 
 I: l’intensité en ampère (Ampère peut désigner :) 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 la plaques de champs 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 champs et le noyau central. Chez Boston Acoustique, cette solution est surtout utilisée sur les tweeters.

En introduisant une tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en branches et rameaux formant l'appareil caulinaire.) 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 centrale ou la culasse on crée un passage d’air. La chaleur transmise au noyau central par la bobine est évacuée par ce puit. C’est le Vented Gap Cooling de JBL, vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) en coupe. Ce système offre un refroidissement limitée à la partie de la bobine proche de la partie avant. JBL a inventée une solution qui ventile la bobine par trois petits puits dans la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) du noyau centrale. L’air atteint directement le cœur de la bobine, c’est le Super Vented Gap vue en coupe de JBL. La compression dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) est maintenu à quelques dB. Un haut-parleur ayant une bobine de faible diamétre comme les EV subira une compression de l'ordre de 7 dB. évolution de la compression dynamique en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour une puissance donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) JBL TAD EV.

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 champs arrière. Plusieurs solutions d’évacuations sont possibles. Cf. Forum audiorountable

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 champs 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 ausi un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) aux déplacement de la bobine diminuant aussi le rendement global du moteur. La puissance admissible par contre fait un bond et la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles...) d’impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) 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. exemple de ferro (El Hierro, également connue sous le nom d'île de Fer ou Ferro, est la plus petite et la plus occidentales des îles Canaries. Elle est connue en Espagne pour les lézards géants qui y vivent.) fluides

La ventilation latérale. En disposant des aimants circulaires non jointifs autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la bobine, on facilite le passage de l’air vers l’extérieur, diminuant ainsi la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...). Focal adopte le multi-aimants sur ces systèmes haut de gammes.

En installant un espace entre le saladier et le spider, pour assurer une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'air, la bobine est refroidie sur sa partie avant comme sur la gamme stratos de Triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La...)

Les haut-parleurs électrostatiques

La membrane plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité...) qui reproduira toutes les fréquences est recouverte d'un coating conducteur et est chargée de plusieurs milliers de volts DC par rapport à la masse (environ 5000 volts). De chaque côté de cette membrane courent des conducteurs (fils) qui, sous l'effet d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) audio dont le voltage est augmenté par un transformateur attireront ou repousseront statiquement la membrane, ce qui produit le son. Comme la membrane reproduit toute la gamme de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on...), il n'y a pas de distortion dite de crossover (CrossOver (CrossOver Office jusqu'à la version 6.0) est un programme commercial et propriétaire développé par CodeWeavers, permettant d'exécuter de nombreuses...).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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