FR3104364A1

FR3104364A1 - Haut-parleur à grande excursion, faible distorsion et faible profondeur

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Publication number: FR3104364A1
Application number: FR1913873A
Authority: FR
Original assignee: Cabasse SA
Current assignee: Cabasse SA
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-11
Also published as: FR3104367A1; FR3104366A1; FR3104367B1; FR3104366B1; FR3104368A1; FR3104368B1

Abstract

TITRE DE L’INVENTION :HAUT-PARLEUR À GRANDE EXCURSION, FAIBLE DISTORSION ET FAIBLE PROFONDEUR L’équipage mobile du haut-parleur comporte une première carcasse de bobine et une seconde carcasse de bobine, afin de positionner la suspension arrière à l’extérieur et vers l’arrière du haut-parleur. Ce haut-parleur présente une forme asymétrique de la suspension arrière, qui compense la non-linéarité de la raideur acoustique de l’enceinte close couplée au haut-parleur. Une bague en cuivre ou en aluminium d’une épaisseur comprise entre 0,5 et deux millimètres est insérée à l’intérieur de l’entrefer à l’extérieur du bobinage. Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

HAUT-PARLEUR À GRANDE EXCURSION, FAIBLE DISTORSION ET FAIBLE PROFONDEUR

La présente invention vise un Haut-Parleur («HP») à grande excursion, faible distorsion et de faible profondeur.

Elle s’applique, notamment, au domaine de l’audio et de l’acoustique, par exemple les chaines audio dites «haute-fidélité» ou HIFI.

Le domaine de l’invention est celui des haut-parleurs ou transducteurs électrodynamiques, et plus particulièrement des haut-parleurs dédiés notamment à la reproduction de basses fréquences (« grande » surface émissive, équipage mobile «lourd », grande excursion, fort facteur de force, forte tenue en puissance).

Les haut-parleurs électrodynamiques connus, destinés à reproduire les basses fréquences présentent généralement un encombrement conséquent car :
a) Les équipages mobiles « lourds » nécessaire à la reproduction des basses fréquences nécessitent un circuit magnétique (moteur) puissant et donc généralement de taille imposante.
b) L’excursion importante de l’équipage mobile conséquente à la reproduction des basses fréquences entraine une hauteur totale du haut-parleur importante.
c) Le bon guidage en translation de l’équipage mobile pour des fortes excursions nécessite un écartement important entre les suspensions avant et arrière du haut-parleur, ce qui amène encore à augmenter la hauteur totale du HP.

Ces haut-parleurs connus présentent de nombreux inconvénients

En particulier, leur encombrement est élevé. En effet, on cherche aujourd’hui à faire des enceinte compactes et notamment peu profonde tout en garantissant un niveau acoustique important dans les basses fréquences. L’encombrement des haut-parleurs conventionnels de bonne facture dédiés à la reproduction des basses fréquences est très souvent le frein qui empêche de réduire la taille des systèmes haut-parleurs.

La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.

Une des objectifs de l’invention est de réduire l’encombrement et notamment la profondeur d’un haut-parleur destiné notamment à la reproduction des basses fréquences tout en conservant des propriétés remarquables et nécessaires à la reproduction qualitative des basses et moyennes fréquences du spectre audible.

La compacité devient nécessaire dès lors que l’on cherche à réduire la taille et notamment la profondeur des enceintes/baffles acoustiques couplés à ce haut-parleur et nécessaire au bon fonctionnement de celui-ci.

Caractéristiques particulières d’au moins un aspect de l’invention.

Une caractéristique particulière d’au moins un aspect de l’invention consiste à rajouter une seconde carcasse de bobine à l’équipage mobile afin de positionner la suspension arrière à l’extérieur et vers l’arrière du haut-parleur. Ainsi cela permet de maximiser l’écartement entre les suspensions avant et arrière (unique garantie du bon guidage en translation de l’équipage mobile) sans pour autant augmenter la profondeur du haut-parleur.

Cette solution est favorisée par une certaine compacité du moteur (circuit magnétique), notamment au niveau du diamètre extérieur. Etant donné les contraintes fortes liées à la conception des moteurs des bons haut-parleurs de grave, la conception de celui-ci est donc particulièrement optimisée en termes de compacité/performance (aimant central de type Néodyme Fer Bore, conception « underhung », bobine de grand diamètre, bobinage six couches, bague de contre-inductance).

Une autre caractéristique particulière d’au moins un aspect de l’invention se situe au niveau de la forme asymétrique de la suspension arrière. Cette conception permet de compenser la non-linéarité de la raideur acoustique de l’enceinte close couplée au haut-parleur, non-linéarité importante, dans le cas d’un faible volume de charge (cas bien souvent inhérent à l’utilisation d’un haut-parleur de faible profondeur).

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du haut-parleur objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

représente, schématiquement, une demi-coupe axiale d’un haut-parleur de l’art antérieur,

représente, schématiquement, une demi-coupe axiale d’un haut-parleur selon un aspect de la présente invention,

représente un coupe axiale d’un mode de réalisation particulier de haut-parleur selon au moins un aspect de la présente invention,

représente la coupe axiale illustrée en figure 3, annotée et

représente un tableau comparatif de différents haut-parleurs.

La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.

Le domaine de l’invention est le haut-parleur ou transducteur électrodynamique et plus précisément un haut-parleur dédié notamment à la reproduction de basses fréquences (« grande » surface émissive, équipage mobile « lourd », grande excursion, fort facteur de force, forte tenue en puissance).

Ces haut-parleurs connus présentent de nombreux inconvénients

Caractéristiques particulières d’au moins un aspect de l’invention.

On décrit, ci-dessous, un mode de réalisation particulier du haut-parleur objet de l’invention. Ce mode de réalisation particulier concerne un haut-parleur de taille entre quatre et neuf pouces, par exemple de 6.5 pouces (environ 17cm de diamètre extérieur).

Le moteur (circuit magnétique) est, dans ce mode de réalisation particulier, de conception type underhung avec aimant central de type NdFeB (Néodyme Fer Bore).

Le bobinage possède entre quatre et huit, par exemple six, couches afin de maximiser le facteur de force Bl, produit du champ magnétique B dans l’entrefer (issu du circuit magnétique) et de la longueur l du conducteur électrique baigné dans l’entrefer).

Une bague en cuivre ou en aluminium d’une épaisseur comprise entre 0,5 et deux millimètres, par exemple d’un millimètre, par exemple façonné par emboutissage, est insérée à l’intérieur de l’entrefer pour réduire l’inductance du bobinage afin d’améliorer l’efficacité du haut-parleur à l’extrémité supérieure de sa bande passante et de réduire les distorsions notamment de courant.

La position de cette bague du côté externe de l’entrefer permet de maximiser le diamètre de l’aimant pour un diamètre donné de bobine (maximisation de l’énergie magnétique) tout en gardant un diamètre de référence tolérancé de manière précise (le diamètre extérieur de la plaque de champ) pour réaliser le montage précis de la bobine mobile à l’aide d’un outil de centrage.

Préférentiellement, des trous sont réalisés dans la culasse au niveau du diamètre d’entrefer afin de faciliter la circulation d’air dans celui-ci dans le but de refroidir la bobine mobile par une ventilation forcée d’air frais.

Par exemple, le support de bobinage est réalisé en partie en aluminium afin que le bobinage de cuivre dissipe mieux la chaleur créé par l’effet Joule.

Ainsi réalisé, ce moteur a des performances remarquables en termes de rapport compacité/énergie magnétique, en termes de linéarité (moteur underhung associé à la bague cuivre ou aluminium) et en termes de tenue en puissance (moteur underhung, trous de ventilation forcée, support bobinage en aluminium).

La bobine active (avec le bobinage baigné dans l’entrefer magnétique) est solidarisée à la bobine passive (qui relie les suspensions avant et arrière) via deux portions de membrane rigide (composite carbone/époxy). La bobine passive est parcourue de courant électrique, particulièrement, voire essentiellement dans le but de le transmettre à la bobine active. Du fil conducteur assez rigide isolé de section similaire à celui utilisé pour le bobinage de la bobine active est utilisé pour transmettre le courant à la bobine active. Deux fils conducteurs sont fixés verticalement à la bobine passive et passent au-dessus de celle-ci pour acheminer le signal électrique vers la bobine active. La connexion électrique entre les deux bobines se fait par une soudure, par exemple à l’étain, de l’extrémité supérieure des fils de la bobine passive sur deux zones de soudure positionnées en haut de la bobine active, ces deux zones de soudure étant relié aux deux extrémités du bobinage baignant dans l’entrefer magnétique. Deux fils conducteurs souple et résistant mécaniquement aux vibrations sont ensuite utilisés pour relier la bobine passive (mobile) aux bornes (fixe) du HP.

Le haut des bobines actives et passives est préférentiellement percé de nombreux trous afin de décompresser le volume d’air emprisonné entre le moteur, les membranes et ces bobines. Un grand nombre de trous est préférable afin de diminuer des phénomènes de turbulence d’air qui peuvent apparaitre et provoquer des bruits parasites lors de grandes vitesses et amplitudes de vibration de l’équipage mobile. Le chanfrein réalisé sur la partie extérieure supérieure de la culasse est également prévu à cet effet, afin de faciliter le passage d’air par les trous de la bobine passive lorsque l’équipage mobile se trouve dans une position basse.

Une qualité remarquable de cette conception est qu’elle permet un montage avec les procédés conventionnels de montage de HP avec juste quelques étapes supplémentaires.

Des aspects de l’invention présentent les caractéristiques suivantes:
Une conception particulière concernant le positionnement de la suspension arrière.
Une conception particulière concernant le moteur, notamment l’utilisation d’une bague cuivre ou aluminium à l’extérieur du bobinage, dans l’entrefer magnétique sur une conception de type « underhung » à aimant central.
Une conception particulière concernant le spider, notamment pour contrecarrer l’effet non linéaire d’une charge close de faible volume par une conception particulière de la suspension arrière du HP.

Comme illustré en figure 5, un haut-parleur conventionnel possède les caractéristiques suivantes:
HP conventionnel
Mise en position de la bobine au centre de l’entrefer à l’aide d’un outil de centrage dédié
Collage
suspension arrière/saladier
Collage
suspension arrière/bobine
Collage
(suspension avant + membrane)/saladier
Collage
(suspension avant + membrane)/bobine
Retrait de l’outil de centrage de la bobine
Collage
Cache noyau/membrane
Un haut-parleur à double bobine possède les caractéristiques suivantes:
Mise en position de la bobine passive au centre de l’entrefer à l’aide d’un outil de centrage dédié
Collage
suspension arrière/saladier
Collage
suspension arrière/bobine passive
Collage
(suspension avant + membrane externe)/saladier
Collage
(suspension avant + membrane externe)/bobine passive
Retrait de l’outil de centrage de la bobine passive
Mise en position de la bobine active au centre de l’entrefer à l’aide d’un outil de centrage dédié
Soudure sortie fils bobine passive sur bobine active
Collage
membrane intermédiaire / membrane externe
Collage
membrane intermédiaire / bobine active
Retrait de l’outil de centrage de la bobine active
Collage
Cache noyau/membrane intermédiaire
Dans des modes de réalisation d’au moins un aspect de l’invention, la suspension arrière est asymétrique dans sa fonction de guidage en translation de l’équipage mobile. De par cette conception, sa raideur mécanique en translation est non linéaire, plus importante pour un mouvement vers l’extérieur (de l’enceinte) de l’équipage mobile, plus faible pour un mouvement vers l’intérieur (de l’enceinte). Cette conception non conventionnelle est une solution proposée pour compenser en partie la non-linéarité acoustique du volume d’air de l’enceinte close associé à ce haut-parleur. En effet, cette conception compacte de haut-parleur a notamment un intérêt pour une utilisation dans une enceinte compacte, dans laquelle on n’a pas beaucoup de place pour positionner un haut-parleur, et donc une enceinte de faible volume interne. Ce faible volume entraîne une raideur acoustique de l’enceinte close importante et fortement non linéaire vis-à-vis du déplacement de la membrane du haut-parleur. Avec une charge close de faible volume, un déplacement important de la membrane va provoquer un changement non négligeable du volume interne V de la charge close et par conséquent, de la pression statique interne P, ces deux valeurs étant liées par la loi de Laplace:

[Math 1]〖PV〗^γ=C_1
ou C_1 est une constante et γ=1.4 dans le cas de l’air.

On en déduit :

[Math 2] P(x)=P₀(V₀/(V₀+Sx))^1,4
Avec :
x : déplacement de la membrane (en positif et négatif, x=0 étant la position de repos)
P₀: pression statique à l’équilibre (x=0)
V₀: volume interne de l’enceinte (x=0)
S : surface de rayonnement de la membrane
^ représente une puissance, ici puissance 1,4

Dans le cas d’une enceinte compacte, dans laquelle Sx n’est pas négligeable devant V₀, le changement de pression interne provoque un effort sur la membrane du haut-parleur avec un comportement non linéaire. La pression de rappel exercée sur la membrane est notamment plus importante pour un déplacement de la membrane vers l’intérieur de l’enceinte que vers l’extérieur. Ainsi, un effort plus important est nécessaire pour faire rentrer la membrane vers l’intérieur que vers l’extérieur. Le spider asymétrique a été conçu à l’inverse (il exerce un effort de rappel plus important pour un déplacement vers l’extérieur que vers l’intérieur) afin de compenser la non-linéarité lié au changement de volume interne de l’enceinte avec le déplacement de la membrane.

Dans les figures 1 et 2, Δsusp est l’écart entre les suspensions avant et arrière nécessaire pour assurer le bon guidage en translation de la bobine mobile (HP grande excursion ±Xmax). Il empêche de réduire la hauteur d’un HP de conception conventionnel. Un des aspects de l’invention permet de réduire significativement la hauteur du haut-parleur sans avoir réduit l’écart Δsusp et en conservant des performances similaires en termes de facteur de force, de masse d’équipage mobile et d’inductance du bobinage. De plus, la conception « underhung » permet même d’améliorer la linéarité des paramètres du HP par rapport au déplacement du bobinage.

Sur le HP conventionnel « état de l’art » de la figure 1, la conception de l’entrefer magnétique et du bobinage est du type « overhung » : Le bobinage est plus haut que la zone d’entrefer magnétique, ceci pour assurer que le facteur de force Bl (produit du champ magnétique B par la longueur de conducteur électrique l baigné dans le champ magnétique) ne change pas trop en fonction du déplacement de la bobine.

L’aimant est de type ferrite. Pour assurer un fort champ magnétique, la ferrite est nécessairement de grosse taille (grand diamètre, forte hauteur) et placée à l’extérieur du bobinage.

Le bobinage est généralement constitué de deux couches d’enroulements.

Dans le mode de réalisation particulier d’un aspect de l’invention illustré en figure 2, la conception de l’entrefer magnétique et du bobinage est du type « underhung ». Le bobinage est plus court que la zone d’entrefer magnétique. La constance du facteur de force Bl en fonction du déplacement du bobinage est améliorée. De même, la constance de l’inductance du bobinage en fonction du déplacement de la bobine est améliorée. Aussi la tenue en puissance du bobinage est améliorée, par amélioration de la dissipation thermique. Le bobinage qui chauffe par effet Joule est sur toute sa hauteur proche des pièces en acier doux qui aident à dissiper la chaleur du bobinage.

L’aimant est préférentiellement de type NdFeB. Nettement plus puissant que la ferrite, cet aimant permet de réduire énormément la taille des aimants dans la conception des circuits magnétiques. Ce type d’aimant permet la conception du moteur compact et puissant proposé et notamment de positionner l’aimant au centre du moteur, en augmentant le diamètre du bobinage. Le positionnement de l’aimant au centre présente un autre avantage non négligeable par rapport à l’aimant extérieur : il est quasiment dépourvu de fuite magnétique. Toutes les lignes de champ magnétique sont canalisées par les pièces polaires, en acier doux, qui entourent l’aimant. Sur la conception à aimant extérieur, des lignes de champ magnétique reboucle dans l’air à l’extérieur de l’aimant provoquant des fuites magnétiques (l’aimant extérieur va facilement attirer des matériaux à base de fer et provoquer des perturbations de type électromagnétique dans son environnement proche).

Cette conception augmente l’inductance du bobinage par rapport à la conception standard, du fait de l’utilisation d’une bobine de grand diamètre avec un nombre de tours d’enroulement plus important avec noyau d’acier plus imposant. Pour y remédier, selon un aspect de l’invention, on utilise une bague, de cuivre ou d’aluminium, placée dans l’entrefer magnétique, proche et à l’extérieur du bobinage.

La combinaison des différents aspect de l’invention présente les avantages suivants.

Compacité du haut-parleur, notamment profondeur réduite

Simplicité du montage (utilise des procédés d’assemblage conventionnels)

Fort facteur de force (Aimant Néodyme Central, bobine 6 couches grand diamètre)

Inductance faible à modérée (compte tenu de l’utilisation d’une bobine de grand diamètre avec 6 couches) grâce à la bague cuivre ou aluminium de contre-inductance, ce qui permet au HP d’être plus efficace dans le haut de sa bande passante.

Linéarité :
Le facteur de force n’est pas dépendant de la position du bobinage grâce au montage underhung.

la bague cuivre ou aluminium permet de diminuer les phénomènes de non-linéarité liés aux variations d’inductance de la bobine mobile.

Linéarité de la raideur mécanique globale du système (HP + enceinte close) maitrisée grâce au spider asymétrique

Forte tenue en puissance grâce à la carcasse de la bobine active en aluminium, aux trous de ventilation en fond de culasse, au moteur type « underhung ».

Dans des variantes, on met en œuvre une forme de membrane et/ou de suspension différente, on utilise des matériaux différents et/ou des dimensions de pièces différentes.

Claims

Haut-parleur dans lequel l’équipage mobile comporte une première carcasse de bobine et une seconde carcasse de bobine, afin de positionner la suspension arrière à l’extérieur et vers l’arrière du haut-parleur, ce haut-parleur présentant une forme asymétrique de la suspension arrière, qui compense la non-linéarité de la raideur acoustique de l’enceinte close couplée au haut-parleur, une bague en cuivre ou en aluminium d’une épaisseur comprise entre 0,5 et deux millimètres étant insérée à l’intérieur de l’entrefer à l’extérieur du bobinage.