Créateur d'enceintes acoustiques

Les différentes technologies de haut-parleur

La transduction électroacoustique est la transformation d’un signal électrique délivré par l’amplificateur audio en un signal musical constitué de pressions acoustiques. Ce signal électrique est lui même le fruit d’une transduction dite acoustique-électrique, assurée par le micro d’enregistrement. Les variations de pression résultant de la transduction électroacoustique font vibrer notre tympan, une membrane fine de l’oreille chargée de récolter l’onde sonore.

transduction electroacoustique

p – pression acoustique
u – tension électrique

Dans le cadre de la reproduction de signaux musicaux, la bande passante de l’oreille (20 Hz à 20 kHz) définit la plage de fréquence concernée par la transduction.

Les différentes technologies de haut-parleur

Voici un petit inventaire des principales technologies ayant été développées dans le but de restituer un signal de pression sonore.

Le haut-parleur à plasma

haut-parleur plasma

Le principe est dérivé des expérience de William Duddell, un électrophysicien et ingénieur électricien qui en 1900 inventa un des tout premiers instruments de musique électronique, la lampe à arc chantante (singing arc lamp).
Le principe de fonctionnement du haut-parleur à plasma est de faire directement varier la pression de l’air par l’intermédiaire d’un arc électrique dont on fait moduler la densité. Contrairement aux autres types de transduction il n’y ici aucune pièce mécanique en mouvement, ce qui constitue le principal atout de cette technologie face aux haut-parleurs « traditionnels ».

Ce type de haut-parleur est très peu utilisé en car en pratique il possède de nombreux inconvénients qui le rendent inutilisable pour une utilisation grand public ;

  • La qualité de restitution qu’il procure est largement supplantée par d’autres technique de transduction
  • Il nécessite une alimentation haute-tension, avec les précautions de mise en œuvre que ça comporte
  • Il est inefficace dans les basses fréquences (à cause des mouvements d’air très faibles)
  • Son utilisation peut comporter des risques (incendie et choc électrique)

En faisant quelques recherche sur le Web on se rend vite compte que cette technologie de haut-parleur plasma est d’avantage utilisée pour des sujets de travaux pratiques électroniques très ludiques et divertissants que pour des applications Hi-FI.

Vidéo d'un tweeter plasma en fonctionnement

Le haut-parleur électrostatique

Model nine A. Janszen

Le haut-parleur électrostatique est basé sur le phénomène d’attraction et de répulsion des charges électriques, le premier brevet a été déposé en 1953 par Arthur A. Janszen, fondateur de KLH Research & Development Corp. Quelques années plus tard KLH commercialisait l’enceinte modèle 9 (model nine) accompagnée de ses électroniques, le modèle 9 fait aujourd’hui partie intégrante de l’histoire de la haute-fidélité.

haut-parleur electrostatique principe

Le haut-parleur électrostatique est constitué d’une membrane pourvue d’un revêtement semi-conducteur de grande résistance électrique. Ce diaphragme, très mince est placé entre deux grandes électrodes, ce sont en fait des grilles perforées (pour laisser passer l’onde sonore) qui sont pilotées par le secondaire d’un transformateur de couplage qui reçoit à son primaire, la modulation en provenance de l’amplificateur. Le point milieu au secondaire est parachevé d’une polarisation puis est relié au diaphragme.

Les sorties opposées du secondaire sont connectées aux deux grilles perforées qui jouent alors le rôle de deux électrodes dont les potentiels sont en parfaite opposition de phase. En effet le signal appliqué à chaque grille est identique à l’exception de la phase qui est égale à 180°. Ainsi, alors que le voltage de l’une des grilles est positif, il attire la membrane chargée négativement pendant que l’autre grille perforée, dont le voltage est négatif, la repousse. Une force en « Push-Pull » est donc exercée sur le diaphragme qui se déplace et reproduit ainsi le signal d’entrée.

Les avantages

La masse mobile est pratiquement négligeable ce qui confère à cette technologie une réponse transitoire ultra rapide (absence de traînage). Les forces étant réparties de manière homogène sur la totalité de la surface du diaphragme, le haut-parleur électrostatique génère peu de distorsion harmonique et les résonances sont pratiquement absentes, le diaphragme fonctionne en piston sur l’ensemble de la bande passante. Ces avantages permettent à ce haut parleur de fonctionner en large bande avec une courbe de réponse en fréquences linéaire.

Les inconvénients

Même si elle est importante, la surface émissive n’est pas apte à déplacer beaucoup d’air car sa capacité de déplacement est faible; par conséquent la retranscription du registre grave/bas médium doit être assurée par un haut-parleur spécifique de technologie différente. Le rendement est faible et nécessite des amplis à la fois stables (sur une charge capacitive) et capables de fournir beaucoup de courant car l’impédance chute sérieusement dans les hautes fréquences.

Par conception le haut-parleur fonctionne en dipôle, c’est à dire que l’onde acoustique est émise à la fois par l’avant et par l’arrière du panneau, ce qui peut être problématique en fonction de la pièce d’écoute. C’est pourquoi un environnement acoustique « feutré » est préférable pour atténuer les phénomènes de réverbération responsables d’une image stéréophonique trop large et imprécise.

Enfin, compte tenu de l’imposante surface émissive y compris dans les hautes fréquences, le haut-parleur électrostatique est excessivement directif ce qui nécessite un placement méticuleux des enceintes et une position précise d’écoute.

Le haut-parleur à ruban

Inventé à la fin des années 20, il n’est réellement mis au point que dans les années 70 (brevet déposé par Oskar Heil en 1973). Son principe est assez similaire au haut-parleur électrodynamique : le ruban (plaque mince en aluminium plissé) reçoit, via un transformateur adaptateur d’impédance, la modulation en provenance de l’amplicateur. Il est placé dans le champ magnétique (entrefer large) de deux puissants aimants, ce qui a pour conséquence un mouvement avant-arrière du ruban qui produit ainsi l’onde sonore.
principe de fonctionnement haut-parleur ruban

Selon la règle des trois doigts (force de Laplace), une force est exercée au ruban lorsqu’un courant la traverse.

En raison des faibles dimensions du ruban, ce type de haut-parleur a de très faibles rendements en basses fréquences mais le principe a été de nombreuses fois utilisé dans la fabrication de tweeters dans les années 70 et encore aujourd’hui.

Cette technologie offre d’excellentes performances dans les hautes fréquences, la dispersion horizontale est bonne. Ce haut-parleur souffre en revanche d’une directivité importante sur le plan vertical à cause de l’importante longueur du ruban ce qui occasionne des interférences et qui se traduisent par des lobes de directivité.

La mise en oeuvre de ce haut parleur nécessite une attention particulière car sa courbe d’impédance chute de manière drastique dans les basses fréquences, il est donc nécessaire de lui administrer un filtrage passe-haut d’odre plus élevé et avec une fréquence de coupure plus haute en fréquence que pour un tweeter électrodynamique.

Le haut-parleur électrodynamique

C’est dans les années 1870 que Ernst Werner von Siemens décrit le principe de fonctionnement du transducteur électrodynamique à bobine mobile. Le brevet fut accordé en 1877, et faisait état d’une bobine « dynamique » collée sur une membrane se déplaçant sous l’effet d’un courant électrique.

Radiola model 104

En 1898, le physicien et inventeur britannique Oliver Lodge a soumis un brevet pour une version améliorée du haut-parleur: celui-ci comportait alors une membrane en forme de cône. Mais à cette époque il n’existait pas encore de source électrique analogique, le dispositif ne pouvait alors émettre aucune musique.

Il fallut alors attendre 1924, année où Chester Williams Rice et Edward W. Kellog, de la General Electric (USA) déposèrent un brevet pour un modèle de haut-parleur à bobine mobile, et en même temps, construisirent un amplificateur audio capable de fournir une puissance de 1 watt à leur haut-parleur. Ce dernier, le Radiola Model 104, avec amplificateur incorporé, fut mis sur le marché l’année suivante et vendu 250 dollars l’unité.

Cette technologie de haut parleur est utilisée aujourd’hui dans plus de 95% des application Hi-Fi…

haut-parleur electrodynamiquePièces mécaniques :
1 – saladier
2 – suspension externe
3 – membrane + cache poussière
4 – spider
Pièces du moteur :
5 – bobine mobile
6 – noyau
7 – aimant
8 – entrefer
9 – plaque de champ

Le haut-parleur électrodynamique est constitué d’un circuit magnétique dont la source de champ B est assurée par un aimant permanent de type torique. Les 2 plaques de champ (la plaque de champ située à l’arrière est aussi appelé culasse) et le noyaux ont pour but de canaliser les lignes de champ dans l’entrefer.

Une bobine mobile est faite de fil de cuivre ou d’aluminium 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, la suspension et le spider permettent d’assurer le bon centrage de la bobine dans l’entrefer, sans frottement.

Lorsqu’un courant parcourt cette bobine, une force (force de Laplace) axiale apparaît et tend à pousser ou tirer la bobine en fonction du sens de passage du courant.

Cette force est définie par la formule F=B*L*i*sin(α), 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. Si on considère que B et L sont constants* quelque soit le déplacement de la bobine, la force F est alors proportionnelle au courant i. Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Haut-parleur
brochette de haut-parleurs*en pratique B et L ne sont pas constants.

Depuis son invention, le haut-parleur électrodynamique ne cesse d’évoluer, on compte aujourd’hui plus de 200 marques (certaines marques ne sont pas fabricant). Si le principe de fonctionnement de ce HP n’a guère changé depuis plus de 100ans, les améliorations apportées sur le moteur, les suspensions, la membrane etc. sont quant à elles très nombreuses.

Liste non exhaustive des marques de haut-parleur...

Pour se distinguer, certains fabricants proposent des haut-parleurs équipés de membrane avec des matériaux très différents comme: l’aérogel du fabricant Français Audax, le magnésium du Norvégien SEAS ou encore la céramique utilisée chez l’Allemand Accuton. Les propriétés mécaniques des membranes ont un impact direct sur les caractéristiques vibratoires et donc sur la restitution du haut-parleur: voir aussi la page à chaque membrane son acoustique.

Contrairement aux autres technologies de transduction, il existe dans le domaine de la Hi-Fi 6 variantes de haut-parleurs électroacoustiques (sub-woofer, woofer, medium, tweeter, super-tweeter et le large-bande) chacune étant allouée à la reproduction d’une plage de fréquence spécifique pour laquelle elle a été optimisée.

type plages de fréq. particularités applications
sub-woofer de 20Hz à 100Hz (parfois plus de 100Hz dans certain pack home-cinéma) grand diamètre, moteur à grande excursion, membrane non technique, forte résistance thermique de la bobine caisson de basse, car-audio, enceinte 3 voies
woofer 20-5000Hz diamètre moyen (de 10 à 20cm), moteur à grande excursion linéaire, membrane technique enceinte 2 voies, enceinte 3 voies
medium 100-5000Hz diamètre se situant généralement entre 8cm et 17cm enceintes 3 voies
tweeter 990-20000Hz faible masse mobile, faible diamètre, faible inductance enceintes 2 voies, enceintes 3 voies
super-tweeter 5000-50000Hz faible masse mobile, faible diamètre, faible inductance, charge avant pavillonnaire rares applications hifi : association aux larges bande
large-bande 50-20000Hz faible inductance, membrane technique les applications Hi-Fi sont de plus en plus rares
généralités sur les variantes de HP électrodynamiques

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Identifiant SIRET : 583 281 486 00018