FR2696308A1 - Système électro-acoustique à lévitation magnétique et effet de volume. - Google Patents

Abstract

Système électro-acoustique faisant appel à un nouveau concept d'utilisation d'un champ magnétique aérien avec circulation d'un courant inverse dans chacune des voies magnétiques et engendrant une lévitation par opposition des forces engendrées. Le travail étant alors obtenu par un déséquilibre du point milieu. S'y ajoute un "effet de volume" propre à une libération rapide des ondes stationnaires. Ce principe pouvant être également utilisé dans un mode de fonctionnement traditionnel.

Description

Le principe des haut-parleurs actuels est celui élaboré il y a près d'un siècle. Aucune amélioration importante n'a vraiment modifié ce principe.

Le principal inconvénient de ce type de transducteur conique est à l'évidence la surface motrice considérablement faible par rapport à la surface émettrice. Les différentes liaisons bobine/membrane - membrane/suspension - membrane/spider sont autant de découplages mécaniques; quelle que soit la qualité des matériaux utilisés. Les recherches ont porté sur la rigidité des membranes, la viscosité des suspensions etc...

ce qui a conduit à une amélioration d'un système étant, par son principe, incapable d'un fonctionnement en piston sur une large gamme de fréquence.

Les différents travaux concernant le principe électrostatique, haut parleur à ruban, ionique ou autre ne sont pas pris en considération dans l'explication de cette invention différant par trop du concept électro-magnétique.

Par ailleurs, la recherche constante des fabricants de hautparleurs s'est principalement orientée vers l'amélioration permanente du rendement. Nous savons que cela implique un flux magnétique dense et un entrefer étroit et nous savons aussi que cela est source de force contre-électromotrice. I1 est à remarquer que dans le modèle classique, et universellement connu, symbolisant le fonctionnement mécanique d'un haut parleur par l'assemblage en série d'une self, d'une résistance et d'un condensateur (L C R - fig. 2), cet ensemble n'intègre pas cette force contre-électromotrice. Et ce par le seul fait qu'il est établi que cette force contre-électromotrice ne devient gênante qu'aux fortes amplitudes - donc à des fréquences basses se situant autour de la fréquence de résonance. Cette fréquence de résonance semble être admise comme nécessité.Nous affirmons dans cette invention que cette fréquence de résonance n'est pas une fatalité.

La premier constat pris en considération dans cette recherche le fut après une expérience simple. En injectant un signal d'excitation composé d'une alternance tronquée dans sa phase négative (une simple diode en série dans le circuit) et à une fréquence proche de celle de la résonance (50 hz dans ce cas) nous constatons sur l'écran d'un tube cathodique la restitution de la demi alternance non injectée. Cette demi alternance est donc entièrement auto-générée par les forces de rappel (C - fig.2) du haut parleur.

Cette même expérience réalisée avec le principe de cette invention refuse toute autogénération de cette nature.

La recherche conduisant à cette invention à donc été la suivante a - minimiser l'effet de force contre-électromotrice par le choix d'un flux magnétique faible, mais s'exerçant sur une grande surface et par un entrefer très ouvert autant qu'il était possible d'accepter une perte de rendement évidente (actuellement 69 db/m).

b - minimiser l'effet de capacité que représente la suspension en utilisant un phénomène de lévitation magnétique .

c - utiliser l'effet de volume que peut procurer un élément vibrant très épais et retarder ainsi 1' entrée en régime vibratoire.

d - minimiser l'effet de self du conducteur en réduisant l'influence de l'inductance grâce à un enroulement rectangulaire à faible nombre de spires.

Au regard de la figure (1) il est évident qu'un courant continu circulant dans le champ nord (N-N fig.l) est en opposition à celui circulant dans le champ sud (S-S fig.l). Les forces mises en jeu traduisent une mise en équilibre de la membrane. (fig.

3). I1 est tout à fait facile de concevoir l'effet push pull dès que la tension d'équilibre est modifiée au son point milieu des bobinages.

La théorie développée dans le brevet FR 80 01166 dont je suis l'auteur a été reprise pour améliorer la disposition des points de transfert d'énergie mécanique en énergie acoustique.

Un haut parleur à cône traduisant un message musical de très faible amplitude n'émet que sur une surface très réduite, localisée au centre de la membrane (Il est facile de le contrôler par un simple toucher). Au fur et à mesure que l'énergie augmente ou si le message musical comporte des moments d'énergie plus grande, la zone vibrante se déplace davantage vers la périphérie. Ce qui démontre qu'une oscillation réelle de l'ensemble du cône ne se manifeste que si l'énergie transmise est suffisante pour que cet ensemble vibrant se déplace dans son entier. Le rapport masse/énergie prenant ici tout son sens.

Nous savons qu'à très faible niveau d'énergie la surface se trouvant près du noyau magnétique transmet une gamme de fréquences relativement étendue. Phénomène d'autant mieux connu que certains haut-parleurs à cône utilisent un deuxième diffuseur central pour la restitution des fréquences élevées.

Il est utile, à ce stade, de bien noter qu'à très faible niveau la masse prime sur l'énergie transmise et que le message est peu altéré. A noter également que les différents relevés de caractéristiques techniques des haut-parleurs actuels sont faits très en dessous de la puissance admise et précisément dans cette zone de fidélité maximum.

Dès l'augmentation de la puissance nous assistons à un phénomène de fractionnement de surface. Il est à noter que c'est à ce moment précis qu'apparaissent L et C qui en dessous de ce régime vibratoire étaient sans incidence notoire. Au delà du fonctionnement en piston de l'ensemble du cône nous savons que les fréquences de longueur d'ondes courtes (fréquences élevées) auront alors à parcourir une génératrice longue qui sera un obstacle à leur libération avant l'impulsion suivante.

Un phénomène de stockage interviendra. Les fréquences basses seront alors transmises à travers un réseau d'ondes stockées dans la membrane générant un phénomène d'intermodulation par effet de zones de haute et basse pression aux différents endroits de la membrane. Le message musical est alors considérablement altéré.

Cette nouvelle approche de concept de stockage permettant alors une autre forme d'analyse. Si pour une même surface de membrane et en partant d'une épaisseur de celle-ci d'environ 1 millimètre nous portions à 30 millimètres l'épaisseur de celle-ci il devient évident que le volume de transfert disponible est porté de 1 à 30. Pour une même énergie (abstraction faite de la masse) et dans une gamme de fréquences identique nous voyons les risques d'intermodulation réduits à 1 pour 30.

Il est à noter sur la Figure 5 que 1 'effet de volume prend tout son sens. La gamme de fréquences transmise s'étendant largement au dessus de 20 Khz alors que la masse de l'ensemble vibrant est dans ce cas de 30 grammes, soit environ 6 fois supérieure à celle d'un tweeter.

Une telle configuration n'est pas envisageable dans le cas d'un cône en papier. Il convient alors de se libérer du concept de membrane qui, par définition, ne peut être qu'un élément mince et d'accepter l'idée d'un volume vibrant. Intervient alors l'idée de masse qui d'après les certitudes actuelles s'oppose à la transmission des fréquences élevées. Nous avons vu que le concept de vibration de la membrane à faible niveau doit être remis en question. Il serait plus juste de dire que le cône de papier ne sert alors que d'élément de transfert entre les vibrations de la bobine et l'air ambiant. Hypothèse délicate à admettre mais un rongeur enfermé dans une cloison est parfaitement audible sans pour autant faire bouger les murs. Tant que la masse reste supérieure à l'énergie injectée nous assistons donc à une transmission du son par propagation à travers la membrane.Pour mieux affirmer ce concept il est à noter que dans le cas de figure (3) et l'utilisation du circuit dans un mode de fonctionnement traditionnel il est clair qu'une circulation de courant alternatif en phase opposée doit se traduire par un immobilisme total de la membrane et donc un silence total. Les deux forces en opposition annulant tout travail vibratoire. L'énergie se traduisant alors en chaleur. Ce qui n'est pourtant pas le cas dans le mode de fonctionnement à effet de volume .

Si le message musical dans un tel mode de fonctionnement se trouve être altéré, l'énergie transmise se traduit cependant par une restitution sonore. Preuve s'il en est que ce type de transducteur travaille alors en "propagation volumique" et non en vibration. La distorsion étant alors de même nature que celle d'un cône : les ondes se trouvant déphasées et allant à l'encontre les unes des autres.

Bon nombre d'auteurs ont signalé la présence d'une force latérale dans le principe d'une bobine mobile asservie à un cône. La meilleure explication semble être la présence des champs concentriques aux conducteurs. Cette force latérale est alors conjurée par l'utilisation d'un spider placé le plus près possible de cette bobine. La présente invention prétend que cette force pourrait être utilisée pour un centrage automatique de la bobine mobile dans la mesure où utilisant deux champs magnétiques contraires avec deux bobinages nous aurions alors une compensation automatique des champs tournants par action et réaction.Voir Fig. (4) Cette affirmation n'étant que le résultat d'observations faites à partir du prototype à effet de volume n'a pu être réellement caractérisée sur un haut parleur à cône compte tenu des coûts importants de cette expérience liés à une nécessité de divulgation auprès de fabricants seuls capables de réaliser un tel ensemble.

Curieusement il semblerait que dans ce mode de transfert par effet de volume l'altération du message soit moindre que lors d'un fonctionnement en régime vibratoire (régime prenant naissance dès que l'énergie devient prédominante sur la masse). La présente invention repose donc en partie sur cette idée de volume. La recherche ayant été d'utiliser au mieux le concept de transmission par propagation retardant ainsi l'entrée en régime vibratoire. Le bien fondé de cette approche s'explique très clairement par la courbe impédance/fréquence en figure 6 Rappelons que cette courbe a été enregistrée par un laboratoire d'acoustique de très haut niveau et ne peut être mise en doute. La recherche très poussée d'une quelconque résonance n'a pas permis sa localisation dans la courbe d'impédance.Les résultats obtenus ne sont pas entièrement attributifs à 1 'épaisseur de élément vibrant mais , comme nous le verrons plus loin, la configuration très particulière du champ électro-magnétique y joue également un très grand rôle.

L'enveloppement périphérique de l'élément vibrant par le réseau conducteur n'avait d'autre but que la recherche d'une liaison aussi parfaite que possible de l'élément moteur et de la surface diffusante reprenant ainsi les affirmations du brevet fr 80 01166 (déjà cité) les résultats d'écoute subjective confirment tout à fait le bien fondé de cette approche.

La figure 5 traduisant une courbe amplitude/fréquence marquée par de nombreux accidents. Ce qui parait être une antinomie au regard de la linéarité exemplaire de la courbe impédance/ fréquence. Ce qui n'est en fait qu'une parfaite démonstration dans le cas de cette invention de l'indépendance totale des phénomènes électriques sur les phénomènes mécaniques par absence de force contre électromotrice.

Les accidents cités plus haut sont caractéristiques d'un résonateur. La colonne d'air prise en sandwich entre l'élément vibrant et le circuit magnétique en est l'origine par effet de cavité. Le prototype a été modifié depuis et cet inconvénient est en voie de disparition. Les enroulements ont été inclus dans une surface lisse alors qu'ils étaient, lors de cette caractérisation très fortement proéminents et engendraient une agitation des molécules d'air.

Afin d'obtenir la meilleure courbe d'amplitude/fréquence il convient également de bien déterminer le rapport volume/ surface de 1 'élément vibrant et ce afin de permettre le passage dans les meilleures conditions du régime de "propagation volumique" en régime vibratoire sans déficit ni dominance pour aucune des fréquences transmises du spectre auditif. Ce seuil de fonctionnement est caractérisé par la relation masse/ fréquence/énergie.

L'effet de lévitation magnétique fut mis en évidence par la circulation d'un courant continu circulant unidirectionnellement dans le champ magnétique Nord et dans le champ magnétique Sud (fig 3). L'effet de centrage dans les deux axes est alors nettement constaté. Les champs tournants cités plus haut agissant alors tout autour de l'élément vibrant réalisant ainsi une sustentation dans les deux axes. Dés lors la suspension et le spider d'un haut parleur à cône devenaient inutiles. Cependant il n'est pas envisageable de réaliser un diffuseur non amorti mécaniquement, les impulsions violentes projetant l'élément vibrant hors du champ magnétique. I1 fut parfaitement possible d'arrimer cet élément vibrant avec une simple peau de maintien assurant également l'étanchéité entre les deux faces.Nous voyons que la réduction de C dans le schéma de la figure 2 devient alors importante. Revoir à cet égard lignes 3 et 4 page 2 le refus d'auto-génération de la demi sinusoide. Preuve que C est bien inexistant. C et L étant deux composantes liées s'y ajoute alors une réduction de L puisque l'idée de masse est ramenée à un volume fottant sur un coussin électro-magnétique. Au regard du schéma équivalent (fig 2) et grâce à cette réduction considérable de
L et de C il ne demeure que R. La courbe d'impédance devient alors explicable tout comme l'absence de résonance. L'impédance nominale de cette courbe étant rigoureusement identique à la résistance ohmique du circuit conducteur.

Le prototype de caractérisation du phénomène ayant conduit à cette invention a été réalisé avec un élément de polystyrène expansé de 13 kg/m3, de surface 60 x 220 mm. et d'une épaisseur de 30 mm. Les 2 circuits conducteurs ceinturant la membrane sont chacun composé d'un enroulement de 10 spires de fil de cuivre, des radiateurs aluminium recouvrant alors ces enroulements le poids de l'ensemble est de 40 gr. Ce qui démontre une fois de plus le peu d'incidence du poids sur les fréquences transmises, étant entendu que les fréquences de faible longueur d'onde ne sont alors transmises que par effet de volume, les basses fréquences étant d'énergie plus grande sont alors transmises en régime vibratoire. Les deux modes de transmission expliquant alors la large bande passante.

Le bloc magnétique est composé pour chacune des deux longueurs de 10 ferrites (5 pour la voie nord et 5 pour la voie sud la pièce polaire est un simple plat de fer doux de 4 mm d'épaisseur et de 30 mm de largeur. Les ferrites ayant 9 mm d'épaisseur 42 mm de longueur et 18 mm de largeur constituent après assemblage un bloc magnétique de 210 mm de longueur sur 30 mm de largueur et 13 mm d'épaisseur. Toutes les autres dispositions étant schématisées dans la figure 1. Ont été rajoutés: un élément de maintien de membrane constitué d'une simple feuille de polyéthylène et un radiateur constitué d'une feuille d'aluminium de 7/100 enveloppant les circuits conducteurs
La figure 3 démontre que l'ensemble mis en équilibre par la circulation d'un courant continu, le point milieu (1/2 U) devient alors une "vanne" de commande. Les différents modes de pilotage ne relevant pas de cette invention n'ont pas été décrits. I1 est cependant clair que tout système (classe A,
AB etc..) peuvent être utilisés. De même un enroulement multibrins spécifiquement étudié pour un pilotage en numérique s'avère alors parfaitement réalisable.

Les différentes figures non référencées n'ont été incluses que pour démontrer quelques unes des dispositions possibles du circuit magnétique. Toute application différente mais dont le but serait de bénéficier de l'effet de volume ou de celui du double circuit tendant a utiliser l'effet de lévitation magnétique relèveraient de la même invention. Tout comme il va de soi que l'invention ne se limite pas à la seule forme d'éxécution décrite ci-dessus à titre d'exemple mais qu'elle s'attribue à toute réalisation dérivée des principes exposés.

Claims (1)

REVENDICATIONS

1 - Transducteur électro-acoustique caractérisé en ce qu'il comprend : une membrane épaisse constituant un volume vibrant assurant la transmission du son d'une part par propagation des fréquences élevées à travers ladite membrane, et d'autre part par propagation des fréquences basses en régime vibratoire; deux circuits conducteurs ceinturant ladite membrane de manière à assurer une liaison aussi parfaite que possible entre lesdits circuits et ladite membrane; un bloc magnétique créant deux champs magnétiques contraires et formant avec lesdits circuits conducteurs un moteur magnétique à centrage automatique; un élément de maintien de membrane; un radiateur enveloppant lesdits circuits conducteurs.