EP1593288B1 - Transducteur acoustique electrodynamique - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an acoustic transducer or speaker type electrodynamic for the emission of sound waves from a modulated electrical signal.
- Traditional transducers or speakers comprise a frame (13 and 23), generally metal on which are fixed the various active elements, movable membrane (17 and 27) and its suspension (18 and 28) and a motor (14-16 and 24-26) putting this membrane in motion.
- This motor can be of the electromagnetic, piezoelectric or electrostatic type.
- the mobile membrane generates a resulting acoustic wave (11 and 21) in the direction of its displacement (12 and 22) and according to the electric current modulating the sound signal to be reproduced.
- the figure 1 represents, in section, a transducer having a large diaphragm, more particularly intended for the reproduction of low frequencies to medium.
- the figure 2 represents, in section, a transducer more specialized in the reproduction of high frequencies and is characterized by a smaller membrane and generally comprising a voice coil located on the periphery of this membrane.
- a transducer can be added an acoustic flag that improves its performance by a better acoustic coupling between the membrane (solid) and the surrounding environment (air) by a gradual transition of pressure.
- These transducers of which there is a very large number of variations, are mainly characterized by the direction of the resulting sound wave parallel to the direction of movement of the membrane. Their acoustic radiation is not homogeneous in all directions with the exception of special devices called "pulsating spheres" whose direction of the resulting sound radiation is always parallel to the direction of movement of the membrane.
- transducer the ESS loudspeaker, invented in the United States by Dr. Oscar Heil, (principle following the figure 3 ) consists of a pleated membrane (37) on which is printed a conductive strip (39), this membrane is located in the air gap of a magnet (66) via a circuit magnet (35) for distributing the magnetic induction over the entire membrane.
- This device allows, by a tightening or a spacing (32) of the folds of the membrane according to the modulation current, to obtain the suction and the alternative expulsion of the air located between these folds and thus the generation of a resulting acoustic wave (31).
- the sound radiation has a pronounced directivity, moreover, the very small amplitude of the fold movements of this membrane does not allow to obtain the reproduction of low frequencies.
- a third type of transducer (next figure 4 ), invention of Sawafugi and Tadashi, is an extrapolation of an acoustic transducer operating by flexion of a flexible membrane. It uses two symmetrical flexible membranes (47), fixed at one end in a housing (43), and placed in compression and extension by a flat voice coil (49) located in the air gaps (46) of two magnets (44).
- the operating mode of this transducer which is very compact, is dependent on the symmetrical bending operation of the membranes and does not make it possible to obtain particular directivity characteristics.
- the particular arrangement of the constituent elements of the transducer according to the invention makes it possible to generate acoustic radiation, according to the current of modulation, by compression and expansion of the air mass located between a movably fixed membrane, by means of a suspension device, on a rigid frame and a rigid fixed anvil surface, also fixed rigidly to the same frame , this membrane and this anvil have the characteristic of being arranged face to face, the direction of the resulting acoustic wave is perpendicular to the direction of movement of the membrane.
- the distance separating the membrane and the fixed surface will be slightly greater than the maximum half excursion of the membrane in order to avoid any risk of direct contact between these two elements.
- This mode of generating an acoustic wave makes it possible to produce electroacoustic transducers with directivity characteristics different from those of conventional loudspeakers.
- the setting in motion of the membrane, according to the modulation current can be done by means of an electromagnetic type motorization as shown in the drawings illustrating the invention, but this motorization can also be of piezoelectric type (following figure 10 ), electrostatic type or other.
- the figure 10 shows a variant of the first proposed implementation. Its particularity consists in motorizing the membrane (107) by a device comprising a single or composite crystal rod with piezoelectric properties (106b) which deforms according to the modulation current applied to the bar by the electrical connections (104b). The movements resulting from the deformations of the bar (106b) are mechanically transmitted to the membrane (107) by a rigid and light element (1 09b). The resulting sound radiation (101) is perpendicular to the direction of movement (102) of the membrane (107). The shape, profile and dimensioning of the various elements depends on their electrical or mechanical characteristics as well as the frequency spectrum to be reproduced. The other elements of the device according to the figure 10 are identical by their functions to the equivalent elements of the first implementation following Figures 5 and 6 .
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Description
- La présente invention concerne un transducteur acoustique ou haut-parleur de type électrodynamique destiné à l'émission d'ondes sonores à partir d'un signal électrique modulé.
- Les transducteurs ou haut-parleurs traditionnels (suivant
Fig. 1 et 2 ) comportent un châssis (13 et 23), généralement métallique sur lequel sont fixés les différents éléments actifs, membrane mobile (17 et 27) et sa suspension (18 et 28) ainsi qu'un moteur (14-16 et 24-26) mettant cette membrane en mouvement. Ce moteur peut être du type électromagnétique, piézo-électrique ou électrostatique. La membrane mobile génère une onde acoustique résultante (11 et 21) dans la direction de son déplacement (12 et 22) et suivant le courant électrique modulant le signal sonore à reproduire. Lafigure 1 représente, en coupe, un transducteur disposant d'une membrane de grande dimension, plus particulièrement destiné à la reproduction des fréquences graves à médium. Lafigure 2 représente, en coupe, un transducteur plus spécialisé dans la reproduction de fréquences hautes et se caractérise par une membrane plus petite et comportant généralement une bobine mobile située en périphérie de cette membrane. A ce transducteur, peut être adjoint un pavillon acoustique qui permet d'améliorer son rendement par un meilleur couplage acoustique entre la membrane (solide) et le milieu ambiant (air) par une transition progressive des pressions. Ces transducteurs, dont il existe un nombre très élevé de variations, sont principalement caractérisés par la direction de l'onde sonore résultante parallèle au sens de déplacement de la membrane. Leur rayonnement acoustique n'est pas homogène dans toutes les directions à l'exception de dispositifs particuliers dits « sphères pulsantes » dont la direction du rayonnement sonore résultant est toujours parallèle au sens de déplacement de la membrane. - Un autre type de transducteur, le haut-parleur ESS, inventé au Etats-Unis par le Dr Oscar Heil, (principe suivant la
figure 3 ) est constitué d'une membrane plissée (37) sur laquelle est imprimé un ruban conducteur (39), cette membrane est située dans l'entrefer d'un aimant (66) par l'intermédiaire d'un circuit magnétique (35) permettant de répartir l'induction magnétique sur l'ensemble de la membrane. Ce dispositif permet, par un resserrement ou un écartement (32) des plis de la membrane suivant le courant de modulation, d'obtenir l'aspiration et l'expulsion alternative de l'air situé entre ces plis et donc la génération d'un onde acoustique résultante (31). Malgré la très haute qualité sonore obtenue, le rayonnement sonore est d'une directivité marquée, en outre, la très faible amplitude des mouvements des plis de cette membrane ne permet pas d'obtenir la reproduction des fréquences basses. - Un troisième type de transducteur (suivant
figure 4 ), invention de Sawafugi et Tadashi, est une extrapolation d'un transducteur acoustique fonctionnant par flexion d'une membrane souple. Il met en oeuvre deux membranes souples symétriques (47), fixées à une de leur extrémité dans un boîtier (43), et mises en compression et extension alternative par une bobine mobile plate (49) située dans les entrefers (46) de deux aimants (44). Le mode de fonctionnement de ce transducteur, très compact, est dépendant du fonctionnement en flexion symétrique des membranes et ne permet pas d'obtenir des caractéristiques de directivité particulières. - Le spectre audible par l'homme, de 20 à 20000 hertz environ, est caractérisé par la très grande variété des différentes longueurs d'onde en jeu (du millimètre jusqu'à plusieurs mètres). La reproduction de toutes ces fréquences, avec une puissance acceptable, doit se faire à l'aide de deux ou plusieurs haut-parleurs dont chacun prend en charge une partie du spectre. Il résulte de cette nécessité que les centres acoustiques de ces haut-parleurs sont éloignés de plusieurs décimètres. Ceci dégrade la précision et la restitution spatiale du signal stéréophonique reproduit et introduit un phénomène d'interférence acoustique appelé lobes de directivité se traduisant par de grandes variations de la puissance acoustique émise en fonction de la position de l'auditeur par rapport aux différents transducteurs. Ce phénomène aggrave les mauvaises caractéristiques de directivité inhérentes aux haut-parleurs traditionnels.
- La disposition particulière des éléments constitutifs du transducteur selon l'invention permet de générer un rayonnement acoustique, selon le courant de modulation, par compression et expansion de la masse d'air située entre une membrane mobile fixée souplement, par l'intermédiaire d'un dispositif de suspension, sur un châssis rigide et une surface fixe et rigide dite enclume, également fixée rigidement au même châssis, cette membrane et cette enclume ont pour caractéristique d'être disposées face à face, la direction de l'onde acoustique résultante est perpendiculaire au sens du déplacement de la membrane. La distance séparant la membrane et la surface fixe sera légèrement supérieure à la demi excursion maximale de la membrane afin d'éviter tout risque de contact direct entre ces deux éléments. Ce mode de génération d'une onde acoustique permet la réalisation de transducteurs électroacoustiques disposant de caractéristiques de directivité différentes de celles des haut-parleurs traditionnels. La mise en mouvement de la membrane, suivant le courant de modulation, peut se faire au moyen d'une motorisation de type électromagnétique comme montré sur les dessins illustrant l'invention, mais cette motorisation peut être aussi de type piézo-électrique (suivant
figure 10 ), de type électrostatique ou autre. -
- La
figure 1 représente, en coupe, un transducteur traditionnel disposant d'une membrane de grande dimension, plus particulièrement destiné à la reproduction des fréquences graves à médium. - La
figure 2 représente, en coupe, un transducteur traditionnel plus spécialisé dans la reproduction de fréquences hautes et se caractérise par une membrane plus petite. - La
figure 3 montre schématiquement et en vue axonométrique, le principe de fonctionnement d'un transducteur à membrane plissée, seuls une partie de la membrane, du circuit électrique et du circuit magnétique sont représentés. - La
figure 4 représente, en coupe un transducteur suivant Sawafugi et Tadashi, et comportant deux membranes souples symétriques. - La
figure 5 représente, vu en coupe axonométrique, le transducteur, objet de l'invention, en configuration de rayonnement acoustique omnidirectionnel, pourvu d'une membrane en forme de dôme, ce transducteur permet la reproduction des fréquences basses et medium. - La
figure 6 représente, le même transducteur, vu en coupe. - La
figure 7 représente, en coupe, le transducteur, objet de l'invention, en configuration de rayonnement acoustique omnidirectionnel avec une membrane annulaire, plus spécialement destiné à la reproduction de fréquences aigues. L'enclume 10 est représentée en pointillé pour la bonne compréhension du dispositif de membrane annulaire. - La
figure 8 représente, ce transducteur omnidirectionnel à membrane annulaire, vu en coupe. - La
figure 9 représente, en coupe, la superposition, selon un axe, de deux transducteurs omnidirectionnels, chacun étant chargé de la reproduction d'une partie du spectre audible (fréquences basses et bas médium pour celui du bas et fréquences haut medium et aigues pour celui du haut). - La
figure 10 représente, vue en coupe axonométrique, le transducteur, objet de l'invention, en configuration de rayonnement acoustique à directivité contrôlée. - La
figure 11 représente, vu en coupe, le transducteur de lafigure 10 . - Pour désigner, dans les différentes figures, les éléments, ayant une même fonction dans des mises en oeuvre différentes, les numéros de référence figurants sur les dessins sont précédés, dans la description et les revendications, du numéro de la figure à laquelle se réfère cette description. Par exemple, la membrane (9) dans la
figure 5 est désignée (59) dans la description, la même membrane (9) dans lafigure 6 est désignée (69) dans la description. - Une première mise en oeuvre est représentée
figures 5 et 6 . Le transducteur acoustique selon l'invention est constitué d'un châssis rigide (53 et 63) sur lequel sont fixés : - Un circuit magnétique (55 et 65) accouplé à un aimant (54 et 64), destiné à créer un champ magnétique dans un entrefer (56 et 66).
- Une membrane mobile en (57 et 67) montée sur une suspension souple périphérique (58 et 68) et comportant une bobine mobile (59 et 69) plongeant dans l'entrefer (56 et 66). Cette membrane, représentée ici sous forme de dôme convexe, pourra présenter une autre forme compatible avec une bonne rigidité. Cette membrane pourra comporter des plis ou corrugations destinée à former toute ou partie de sa suspension (58 et 68).
- Une surface fixe et rigide dite enclume (510 et 610), placée face à la membrane mobile (57 et 67) et raccordée (511 et 611) rigidement au châssis ou faisant partie intégrante de celui-ci.
- Les
figures 7 et 8 représentent une autre mise en oeuvre du transducteur omnidirectionnel. Il comporte un châssis rigide (73 et 83) sur le quel sont fixés : - Un circuit magnétique (75 et 85) accouplé à un aimant (74 et 84), destiné à créer un champ magnétique dans un entrefer (76 et 86).
- Une membrane mobile annulaire (77 et 87) montée sur une suspension souple périphérique intérieure et extérieure (78 et 88) et comportant une bobine mobile (79 et 89) plongeant dans l'entrefer (76 et 86). Cette membrane pourra comporter des plis ou corrugations destinée à former toute ou partie de sa suspension, les
figures 7 et 8 montrent un tel dispositif pour sa suspension périphérique externe. - Une surface fixe et rigide dite enclume (710 et 810), placée face à la membrane mobile annulaire (77 et 87) et fixée (711 et 811) rigidement à l'ensemble des autres constituants non mobiles du transducteur.
- En référence à la
figure 9 , et pour permettre la reproduction d'un spectre de fréquence étendu, il est possible de superposer, selon un axe parallèle au déplacement des membranes mobiles (92), deux ou plusieurs de ces transducteurs omnidirectionnels, chacun étant chargé de la reproduction d'une plage de fréquences déterminée. La faible hauteur de chaque transducteur permet un rapprochement des centres acoustiques de ces différents transducteurs et donc la réduction des lobes de directivité inhérents à l'association de plusieurs transducteurs traditionnels. Toutes les références de cette figure se rapportent aux éléments de fonction similaires dans lesfigures 5 à 8 et précédemment décrits. - La
figure 10 montre une variante de la première mise en oeuvre proposée. Sa particularité consiste en une motorisation de la membrane (107) par un dispositif comportant un barreau unique ou composite de cristal à propriétés piézoélectriques (106b) se déformant suivant le courant de modulation appliqué au barreau par les connexions électriques (104b). Les mouvements résultant des déformations du barreau (106b) sont transmis mécaniquement à la membrane (107) par un élément rigide et léger (1 09b). Le rayonnement sonore résultant (101) est perpendiculaire au sens de déplacement (102) de la membrane (107). La forme, le profil et le dimensionnement des différents éléments dépend de leurs caractéristiques électriques ou mécaniques ainsi que du spectre de fréquences à reproduire. Les autres éléments du dispositif selon lafigure 10 sont identiques par leurs fonctions aux éléments équivalents de la première mise en oeuvre suivantfigures 5 et 6 . - La mise en oeuvre suivant les
figures 11 et 12 consiste en une autre disposition des différents éléments du transducteur fonctionnant par compression et expansion de la masse d'air située entre une membrane mobile fixée souplement sur un châssis rigide et une surface fixe et rigide dite enclume, également fixée rigidement au même châssis, cette membrane et cette enclume ayant pour caractéristique d'être disposées face à face, la direction de l'onde acoustique résultante (111 et 121) est perpendiculaire au sens du déplacement de la membrane (112 et 122).
Cette mise oeuvre comporte : - Un châssis (113 et 123) rigide.
- Un aimant (114 et 124), accouplé à un circuit magnétique (115 et 125) et destiné à créer un champ magnétique dans un entrefer (116).
- Une membrane mobile (117 et 127) montée sur une suspension souple (118) et comportant une bobine mobile (119 et 129) plongeant dans l'entrefer, cette bobine mobile est guidée par une deuxième suspension (1113 et 1213) destinée à assurer son centrage dans l'entrefer.
- Une surface fixe et rigide ou enclume (1110 et 1210), placée face à la membrane mobile et fixée rigidement au châssis ou faisant partie intégrante de celui-ci.
- Des baffles (1112 et 1212), rigides ou non, placées dans un plan perpendiculaire à la membrane et à l'enclume, dont le rôle est de limiter physiquement la masse d'air comprise entre la membrane et l'enclume, ces baffles peuvent faire partie intégrante du châssis (113 et 123).
- La fabrication de ce type de transducteur est identique à celle des transducteurs acoustiques ou hauts-parleurs traditionnels.
- Par ses matériaux et sa fabrication :
- Châssis et enclume métalliques ou en matériaux de synthèse ou composites, en tôle pliée ou pressée ou obtenue par injection de métal ou de résine pouvant comporter des fibres de consolidation ou de renfort.
- Membrane en métal, en papier, traité ou non, en matériaux de synthèse ou composites, fibreux ou non.
- Suspension en caoutchouc naturel ou artificiel ou matériaux de synthèse. Cette suspension peut également comporter des plis ou corrugations formés dans la membrane du transducteur.
- Aimants, pièces de champs, circuits magnétiques et bobinages usuels.
- D'une manière générale tous les matériaux et modes de fabrication présents et à venir adaptés à la fabrication et à l'amélioration des performances de ce type de transducteur.
- Par sa mise en oeuvre et son utilisation :
- Elle devra répondre et s'adapter aux caractéristiques et au fonctionnement particulier de ce type de transducteur. Les motorisations du type électromagnétique, piézo-électrique, électrostatique ou autres, ainsi que tous les procédés de contrôle, d'assistance et de pilotage des pièces mobiles par méthode analogique ou numérique peuvent être appliqués à ce type de transducteur.
- Le type de transducteur selon l'invention, pourra comporter un dispositif dit « pavillon acoustique» qui permet d'améliorer son rendement par un meilleur couplage acoustique entre la membrane (solide) et le milieu ambiant (air) par une transition progressive des pressions.
- Le type de transducteur selon l'invention pourra être mis en oeuvre dans d'autres fluides, gazeux ou liquides, que l'air ambiant.
Claims (9)
- Transducteur électroacoustique comportant :- un châssis (3);- une surface rigide (10) fixée rigidement audit châssis (3) ;- une membrane mobile (7), fixée souplement audit châssis (3) et disposée face à ladite surface rigide (10), une masse d'air étant comprise entre ladite surface rigide (10) et ladite membrane mobile (7) et la distance entre ladite surface rigide (10) et ladite membrane flexible (7) augmentant du centre vers la périphérie ; et- un moyen de motorisation (4, 5, 9, 9b) pour déplacer ladite membrane mobile (7) dans la direction (2) de ladite surface rigide (10) selon un courant électrique de modulation ; moyennant quoi le déplacement de ladite membrane (7) génère, par compression et expansion de ladite masse d'air, une onde acoustique dont la direction de propagation (1) est sensiblement perpendiculaire à la direction (2) du déplacement de ladite membrane (7).
- Transducteur électroacoustique selon la revendication 1 dans lequel ladite surface rigide (10) et ladite membrane mobile (7) présentent une symétrie cylindrique autour d'un axe parallèle à la direction (2) de déplacement de ladite membrane mobile (7), moyennant quoi le rayonnement sonore obtenu est omnidirectionnel dans le plan perpendiculaire à ladite direction (2) de déplacement de ladite membrane mobile (7).
- Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite surface rigide (10) présente une forme de dôme convexe.
- Transducteur électroacoustique selon la revendication 3 dans lequel ladite membrane mobile (7) présente également une forme de dôme convexe.
- Transducteur électroacoustique selon la revendication 3 dans lequel ladite membrane mobile (7) présente une forme annulaire.
- Transducteur électroacoustique selon la revendication 1 comportant également des écrans acoustiques (12) placés dans un plan perpendiculaire à ladite membrane mobile (7) et à ladite surface rigide (10) de manière à limiter ladite masse d'air comprise entre elles, moyennant quoi le rayonnement sonore obtenu est directionnel.
- Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications 1, 2 ou 6 comportant également un pavillon acoustique permettant d'améliorer le couplage entre la membrane mobile (7) et l'air ambiant.
- Transducteur électroacoustique selon l'une des revendications précédentes dans lequel ledit moyen de motorisation est de type électromagnétique (4, 5, 9), piézoélectrique (9b) ou électrostatique.
- Ensemble constitué par une pluralité de transducteurs électroacoustiques selon l'une des revendications 1 à 5, chacune adapté à la reproduction d'une plage de fréquences déterminée, superposés selon un axe parallèle à la direction (2) du déplacement de ladite membrane mobile (7).
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