EP0507655A1 - Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité - Google Patents

Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité Download PDF

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EP0507655A1
EP0507655A1 EP92400840A EP92400840A EP0507655A1 EP 0507655 A1 EP0507655 A1 EP 0507655A1 EP 92400840 A EP92400840 A EP 92400840A EP 92400840 A EP92400840 A EP 92400840A EP 0507655 A1 EP0507655 A1 EP 0507655A1
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EP
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electrodynamic loudspeaker
diaphragm
matrix
manufacturing
membrane
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EP92400840A
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Jacques Devillard
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
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    • H04R7/04—Plane diaphragms
    • H04R7/06—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers
    • H04R7/10—Plane diaphragms comprising a plurality of sections or layers comprising superposed layers in contact

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrodynamic loudspeakers and more specifically to the membranes or diaphragms constituting the acoustically active part of these devices.
  • the object of the invention is in particular a method of manufacturing said membranes giving them qualities of linear frequency response and low distortion throughout the frequency band of audible sounds.
  • an electrodynamic loudspeaker almost always consists of a membrane or diaphragm, suspended elastically at its base by an external suspension in foam or polyurethane; this membrane is set in motion by the action of an electric coil traversed by the excitation current on a conductive cylindrical support of which it is integral and capable of sliding more or less in this coil depending on the current flowing through it.
  • the first quality of the material constituting the membrane is lightness or low specific mass. Indeed, the energy transmitted to the membrane being relatively weak, a good acoustic efficiency supposes that this one is likely to be put in movement correctly by this energy relatively small. It is therefore advantageous for the movements of the membrane to oppose as low an inertia as possible to the electromagnetic action of the induction coil.
  • An ideal diaphragm must have a linear frequency response, that is to say do not introduce parasitic frequencies compared to the modulations of the excitation current and be able, on the other hand, when it is stressed, to move like a piston non-deformable which produces acoustic sounds by vibrating the mass of air displaced by the membrane.
  • the material of which this membrane is made must therefore have great flexural rigidity to avoid deformations appearing in particular at frequencies below the resonance frequency of the membrane.
  • the rigidity or stiffness of the material is linked to its modulus of elasticity and this is why the ideal material for such a membrane must have a high modulus of elasticity.
  • the materials making up an electrodynamic loudspeaker membrane must have very high internal losses ⁇ so as to absorb peaks and valleys as much as possible. possible vibration when in the high frequency range, the diaphragm no longer behaves like a simple equivalent rigid piston but like a vibrating body with its own modes and frequencies.
  • tweeters in English terminology "tweeter”
  • metal membranes made of aluminum, beryllium or titanium whose coefficient values E / ⁇ are favorable although the internal losses ⁇ have a very low value.
  • the subject of the present invention is a method of manufacturing speaker membranes in the form of composite materials which makes it possible to find a good compromise between the damping factor and the specific module starting from a matrix with high losses and rigidity. practically zero.
  • This method of manufacturing an electrodynamic loudspeaker membrane with high internal losses and high rigidity is characterized in that a matrix is formed, having the desired shape for the diaphragm, by cold compression of graphite flakes. expanded in a graphite mold, then in which this matrix is then stiffened by formation, on the surface, of compounds with high specific modulus deposited in dense layers.
  • the applicant has demonstrated that it was possible, by choosing this option contrary to the teaching of specialists, to manufacture electrodynamic speaker membranes whose quality of impulse response and damping were of the order of at least 50% greater than the values obtained with the techniques of the prior art.
  • the preceding association makes it possible to solve separately the two problems - so far contradictory - that are obtaining a high damping and increasing the speed of sound.
  • the membrane comprising an expanded graphite core has a very high damping factor and the thin layer has a high specific modulus.
  • Expanded graphite flakes are a product now well known to metallurgists and obtained by what is called intercalation chemistry which consists of introducing foreign substances between the sheets constituting the graphite and then subjecting the complex thus created to thermal shock which explodes the hexagonal structure of this graphite.
  • An expanded compound is then created in the form of a kind of extremely light black snow, the flakes of which have the capacity to agglomerate with one another very easily and in a uniform manner by simple cold compression.
  • the use of these glitter allows to obtain a very porous material (20 to 40% of the theoretical density of graphite).
  • Graphite is not a shock absorbing material; only a high porosity gives it an almost zero rigidity which results in high acoustic losses: a material is thus obtained having a very high damping factor.
  • the graphite-based membrane which is the subject of the invention produced by simple compression of the expanded graphite flakes, has an anisotropic structure in which the stacked graphite sheets have their axis C perpendicular to the surface of the diaphragm.
  • the technique used makes it possible to obtain a graphite membrane whose density is between 0.5 g / cm 3 and 1.5 g / cm 3 .
  • the structure and density of this membrane favor the obtaining of a significant loss factor.
  • the compounds with high specific modulus are chosen from boron carbide B 4 C, silicon carbide SiC, titanium carbide TiC, titanium nitride TiN, and nitride boron BN and the deposition takes place by vapor, chemical or physical deposition, possibly assisted by plasma.
  • Chemical vapor deposition whether of the simple type or of the plasma-assisted type, is particularly suitable for this stage of the process, because they make it possible to control the kinetics of deep infiltration of the porous carbon matrix by the compound with high specific modulus.
  • Physical vapor deposition can also be used if one is content to make more or less thick surface layers on the carbon matrix, which could moreover be deposited on one or both sides of the diaphragm.
  • this operation of depositing a compound with a high specific modulus is fundamental in the invention since it is it which in particular makes it possible to reject the resonant frequency of the loudspeaker outside the audible range.
  • Compounds with a high specific modulus which contain carbon such as for example the SiC carbides which are obtained from methyltrichlorosilane in the presence of hydrogen H 2 or of the boron carbide type (obtained from boron chloride in the presence of CH 4 and H 2 at a temperature of the order of 1000 to 1400 ° C.) or also based on chromium doped with carbon, are particularly advantageous because of their characteristic of good adhesion to the basic carbon matrices.
  • the starting product for forming the basic matrix consists of expanded graphite flakes whose weight is controlled and which are introduced into a graphite mold in order to subject them cold to a compression operation under a pressure of less than 10 MPa.
  • the next step which consists in depositing on the surface of the previous matrix a coating of boron carbide B 4 C to create the rigidity of the membrane is carried out using a chemical vapor deposition assisted by plasma between 800 and 1000 ° C from a mixture of BCl 3 , CH 4 and H 2 .
  • the thickness of the coating thus deposited is between 1 and 10 micrometers.
  • the acoustic examination of the membrane thus produced shows an impulse response diagram translating the obtaining of the damping in 1.13 microseconds of this membrane in a frequency interval between 1000 and 15000 Hz. This consequently means that the " drag "of a pulse included in this frequency is reduced by more than 50% compared to what it is in the membranes of the prior art since it is commonly, in the same field, of the order of 2 , 5 microseconds.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité, caractérisé en ce que l'on forme une matrice, ayant la forme voulue pour le diaphragme, par compression à froid de paillettes de graphite expansé dans un moule de graphite, puis en ce que l'on raidit ensuite cette matrice par formation, au moins en surface, de composés à haut module spécifique déposés en couches denses.

Description

  • La présente invention se rapporte au domaine des haut-parleurs électrodynamiques et plus spécifiquement aux membranes ou diaphragmes constituant la partie acoustiquement active de ces appareils.
  • L'invention a pour but en particulier un procédé de fabrication desdites membranes leur conférant des qualités de réponse linéaire en fréquences et une faible distorsion dans toute la bande de fréquence des sons audibles.
  • On commencera d'abord par rappeler les propriétés souhaitables d'un matériau constituant une membrane de haut-parleur électrodynamique pour obtenir une restitution aussi fidèle et propre que possible du message acoustique transmis sous forme de courant électrique à la bobine excitatrice de la membrane du haut-parleur.
  • En effet, un haut-parleur électrodynamique est presque toujours constitué d'une membrane ou diaphragme, suspendu élastiquement à sa base par une suspension externe en mousse ou en polyuréthane ; cette membrane est mise en mouvement par action d'une bobine électrique parcourue par le courant excitateur sur un support cylindrique conducteur dont elle est solidaire et apte à coulisser plus ou moins dans cette bobine en fonction du courant qui la parcourt.
  • La première qualité du matériau constituant la membrane est la légèreté ou la faible masse spécifique. En effet, l'énergie transmise à la membrane étant relativement faible, un bon rendement acoustique suppose que celle-ci est susceptible d'être mise en mouvement correctement par cette énergie relativement faible. On a donc intérêt à ce que les mouvements de la membrane opposent une inertie aussi faible que possible à l'action électromagnétique de la bobine inductrice.
  • Un diaphragme idéal doit avoir une réponse linéaire en fréquence, c'est-à-dire ne pas introduire de fréquences parasites par rapport aux modulations du courant excitateur et pouvoir, d'autre part, lorsqu'elle est sollicitée, se déplacer comme un piston indéformable qui produit les sons acoustiques par mise en vibration de la masse d'air déplacée par la membrane. Le matériau constitutif de cette membrane doit donc présenter une grande rigidité en flexion pour éviter que des déformations n'apparaissent notamment à des fréquences inférieures à la fréquence de résonance de la membrane. La rigidité ou raideur du matériau est liée à son module d'élasticité et c'est pourquoi le matériau idéal pour une telle membrane doit être doté d'un module d'élasticité élevé.
  • D'autre part, pour éviter que la fréquence de résonance propre de la membrane ne se situe dans le domaine des fréquences audibles, on cherche à rejeter celle-ci au-dela de ce domaine en utilisant des matériaux pour lesquels la vitesse du son est la plus élevée possible. Or, la vitesse du son dans un matériau est proportinnelle à E/ρ
    Figure imgb0001
     formule dans laquelle E est le module d'élasticité et ρ la densité. C'est une autre raison pour laquelle il est nécessaire de choisir pour le membranes de haut-parleur des matériaux ayant un module d'élasticité E aussi élevé que possible.
  • Enfin les matériaux constitutifs d'une membrane de haut-parleur électrodynamique doivent présenter des pertes internes η très élevées de façon à amortir au maximum les pics et les creux éventuels de vibration lorsque dans le domaine des fréquences élevées, le diaphragme ne se comporte plus comme un simple piston rigide équivalent mais comme un corps vibrant avec ses modes et ses fréquences propres.
  • Or, il est bien connu des spécialistes que les impératifs précédents sont complètement contradictoires car un matériau très rigide présente en général peu de pertes internes et réciproquement. C'est la raison pour laquelle, un matériau idéal n'existant pas, on a eu recours jusqu'à maintenant à des solutions de compromis et notamment à des diaphragmes composites.
  • Il se trouve que pour les haut-parleurs d'aigus (en terminologie anglo-saxonne "tweeter") il existe la possibilité de recourir à des membranes métalliques en aluminium, béryllium ou titane dont les valeurs du coefficient E/ρ
    Figure imgb0002
     sont favorables bien que les pertes internes η aient une valeur très faibles.
  • D'une façon plus générale, pour réalier un compromis entre les valeurs souhaitables des coefficients E/ρ
    Figure imgb0003
     et η on a cherché à produire des diaphragmes en matériau composite. Par exemple les polymères chargés en graphite sous forme de particules fines de graphite dispersé dans une matrice de polymère présentent des propriétés favorables. Il en est de même pour les polymères armés de fibres de verre, ou pour la combinaison de polymères à haute performance, associés à des particules rigides de silice comme le matériau connu sous la marque Kevlar. Les structures plus complexes en nid d'abeilles recouvertes d'autres produits ont été également utilisés.
  • Il se trouve que dans presque toutes les solutions composites antérieures, on a priviliègé l'idée qui consiste à réaliser la membrane sous forme d'un piston rigide auquel on associe des produits susceptibles d'augmenter le faible coefficient de pertes internes. Ce point de vue fondamental a prévalu jusqu'à nos jours et les hommes de l'art n'avaient jamais pensé qu'il était possible d'obtenir des performances encore accrues en renoncant à ce préjugé admis par tous les spécialistes. Ceci revient à dire que les exigences d'amortissement élevé et de célérité du son également élevée, sont, avec les matériaux employés à ce jour, contradictoires. En effet, avec les matériaux traditionnellement utilisés, accroître à la fois la velocité du son et favoriser son amortissement est très difficile car ces deux caractéristiques sont interdépendantes : augmenter l'une conduit à réduire l'autre.
  • La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de membranes de haut-parleur sous forme de matériaux composites qui permet de trouver un bon compromis entre le facteur d'amortissement et le module spécifique en partant d'une matrice à pertes élevées et à rigidité pratiquement nulle.
  • Ce procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité, se caractérise en ce que l'on forme une matrice, ayant la forme voulue pour le diaphragme, par compression à froid de paillettes de graphite expansé dans un moule de graphite, puis en ce que l'on raidit ensuite cette matrice par formation, en surface, de composés à haut module spécifique déposés en couches denses.
  • En associant dans un composite une matrice à très faible rigidité et à pertes élevées avec un corps raidisseur, le demandeur a démontré qu'il était possible, en choisissant cette option contraire à l'enseignement des spécialistes, de fabriquer des membranes de haut-parleurs électrodynamiques dont la qualité de réponse impulsionnelle et l'amortissement étaient de l'ordre de 50% au moins supérieurs aux valeurs obtenues avec les techniques de l'art antérieur. En fait, l'association précédente permet de résoudre séparément les deux problèmes - jusqu'à maintenant contradictoires - que sont l'obtention d'un amortissement élevé et l'augmentation de la vitesse du son. Dans la structure de membrane de haut-parleurs selon l'invention, la membrane comportant une âme en graphite expansé a un facteur d'amortissement très élevé et la couche mince possède un haut module spécifique.
  • Les paillettes de graphite expansé sont un produit maintenant bien connu des métallurgistes et obtenu par ce qu'on appelle la chimie d'intercalation qui consiste à introduire des substances étrangères entre les feuillets constituant le graphite puis à soumettre le complexe ainsi créé à un choc thermique qui fait exploser la structure hexagonale de ce graphite. Il se crée alors un composé expansé sous la forme d'une sorte de neige noire extrêmement légère dont les flocons ont la capacité de s'agglomérer entre eux très facilement et d'une manière uniforme par simple compression à froid. Ces techniques et le produit résultant ont été décrits notamment dans le volume 17 d'Octobre 1986 de la Recherche, pages 1184 et suivantes, sous le titre "La chimie d'intercalation" par Jean Rouxel. On citera également le compte-rendu du deuxième colloque international sur l'étanchéité qui s'est tenu à la Baule du 18 au 20 Septembre 1990 et qui décrit les propriétés de ce graphite souple en paillettes.
  • L'utilisation de ces paillettes permet d'obtenir un matériau très poreux (20 à 40% de la densité théorique du graphite). Le graphite n'est pas un matériau amortisseur ; seule une grande porosité lui confère une rigidité quasi nulle qui a pour conséquence des pertes acoustiques élevées : on obtient ainsi un matériau présentant un facteur d'amortissement très grand. Par ailleurs, la membrane à base de graphite, objet de l'invention, réalisée par simple compression des paillettes de graphite expansé, présente une structure anisotrope où les feuillets de graphite empilés ont leur axe C perpendiculaire à la surface du diaphragme. De plus, la technique utilisée permet d'obtenir une membrane de graphite dont la densité est comprise entre 0,5 g/cm3 et 1,5 g/cm3. Ainsi la structure et la densité de cette membrane favorisent l'obtention d'un facteur de pertes important.
  • Selon une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, les composés à haut module spécifique sont choisis parmi le carbure de bore B4C, le carbure de silicium SiC, le carbure de titane TiC, le nitrure de titane TiN, et le nitrure de bore BN et le dépôt a lieu par dépôt en phase vapeur, chimique ou physique, éventuellement assisté par plasma.
  • Les dépôts chimiques en phase vapeur, qu'ils soient du type simple ou du type assisté par plasma, sont particulièrement adaptés à cette étape du procédé, car ils permettent de contrôler la cinétique d'infiltration en profondeur de la matrice carbonée poreuse par le composé à haut module spécifique.
  • Des dépôts physiques en phase vapeur peuvent également être utilisés si l'on se contente de réaliser des couches superficielles plus ou moins épaisses sur la matrice carbonée, qui pourront d'ailleurs être deposées sur l'une seule ou sur les deux faces du diaphragme. Quoi qu'il en soit, cette opération de dépôt d'un composé à haut module spécifique est fondamentale dans l'invention puisque c'est elle qui permet notamment de rejeter la fréquence de résonance propre du haut-parleur en dehors du domaine audible. Les composés à haut module spécifique qui contiennent du carbone comme par exemple les carbures SiC que l'on obtient à partir du méthyltrichlorosilane en présence d'hydrogène H2 ou du type carbure de bore (obtenu à partir de chlorure de bore en présence de CH4 et H2 à une température de l'ordre de 1000 à 1400°C) ou à base encore de chrome dopé au carbone, sont particulièrement intéressants en raison de leur caractéristique de bonne adhésion sur les matrices carbonées de base.
  • On décrira maintenant à titre illustratif et non limitatif un exemple d'application industrielle du procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique objet de l'invention.
  • Dans l'exemple décrit, il s'agissait de réaliser un diaphragme de haut-parleur pouvant fonctionner dans le domaine de fréquences de 1000 à 20000 Hz. Conformément à l'invention, le produit de départ pour former la matrice de base est constitué de flocons de graphite expansé dont on contrôle de poids et que l'on introduit dans un moule de graphite pour les soumettre à froid à une opération de compression sous une pression inférieure à 10 MPa. On obtient ainsi un dôme en paillettes de graphite aggloméré dont l'épaisseur peut varier, en fonction du poids des flocons et de la pression exercée, entre 0,2 et 0,5 mm et la densité entre 0,2 et 1 g/cm3.
  • L'étape suivante qui consiste à déposer à la surface de la matrice précédente un revêtement de carbure de bore B4C pour créér la rigidité de la membrane est réalisée à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma entre 800 et 1000°C à partir d'un mélange de BCl3, CH4 et H2. L'épaisseur du revêtement ainsi déposé est comprise entre 1 et 10 micromètres.
  • L'examen acoustique de la membrane ainsi réalisée montre un diagramme de réponse impulsionnelle traduisant l'obtention de l'amortissement en 1,13 microseconde de cette membrane dans un intervalle de fréquences compris entre 1000 et 15000 Hz. Ceci signifie par conséquent que la "traînée" d'une impulsion comprise dans cette fréquence est réduite de plus de 50% par rapport à ce qu'elle est dans les membranes de l'art antérieur puisqu'elle est couramment, dans le même domaine, de l'ordre de 2,5 microsecondes.

Claims (5)

  1. Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité, caractérisé en ce que l'on forme une matrice, ayant la forme voulue pour le diaphragme, par compression à froid de paillettes de graphite expansé dans un moule de graphite, puis en ce que l'on raidit ensuite cette matrice par formation, en surface, de composés à haut module spécifique déposés en couches denses.
  2. Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice de paillettes de graphite expansé a une densité comprise entre 0,5 g/cm3 et 1,5 g/cm3.
  3. Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composés à haut module spécifiques sont choisis parmi le carbure de bore B4C, le carbure de silicium SiC, le carbure de titane TiC, le nitrure de titane TiN, et le nitrure de bore BN et en ce que le dépôt a lieu par dépôt en phase vapeur.
  4. Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dépôt est un dépôt chimique, éventuellemente assisté par plasma.
  5. Membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une matrice de paillettes de graphite expansé, raidie, en surface, par apport d'un composé à haut module spécifique.
EP92400840A 1991-03-28 1992-03-26 Procédé de fabrication d'une membrane de haut-parleur électrodynamique à pertes internes élevées et à grande rigidité Withdrawn EP0507655A1 (fr)

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