WO2004095882A1 - Membranes pour haut-parleur d’enceinte acoustique haute fidelite, multicouches, multimateriaux - Google Patents

Membranes pour haut-parleur d’enceinte acoustique haute fidelite, multicouches, multimateriaux Download PDF

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Bruno De La Nouvelle
Gérard Chretien
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Definitions

  • the present invention relates to the technical sector of sound reproducers using an emissive membrane.
  • the diaphragm of a transducer provides mechanical coupling between a voice coil, placed in an air gap and traversed by a modulated current, and the air molecules to ensure sound reproduction.
  • a voice coil placed in an air gap and traversed by a modulated current
  • the air molecules to ensure sound reproduction.
  • three criteria govern the mechanical qualities of a membrane: its weight, its flexural rigidity and its damping.
  • the membrane is usually produced in a single-body structure in a material offering a good compromise on the three preceding criteria. Result: for a medium woofer, for example, 16.5 cm, it is impossible to have the rigidity desired for an ideal reproduction of the bass while controlling the damping for correct reproduction of the medium zone.
  • a mono structural solution does not allow individual optimization of the criteria.
  • the structure takes precedence over the material in terms of rigidity.
  • the proposed solution provides a bending stiffness almost 20 times greater than conventional solutions for a cone of identical surface mass (6854 N / mm for the present invention against 366N / mm for the cellulose pulp, 313 N / mm for the Kevlar TM impregnated, 77 N / mm for aluminum and 42 N / mm for polypropylene).
  • the internal and / or external layers allow a fine adjustment of the mass of the stiffness and of the speed of sound propagation in the membrane. As indicated above, this leads to a multitude of parameters, including certain antagonists.
  • the Applicant has however managed to develop multilayer, multi-material membranes, of reasonable cost and with very improved characteristics.
  • the unique advantage of the technology thus developed is that it can mechanically regulate the response of a transducer by adjusting the characteristics of the membrane at the source.
  • Figure 1A shows a membrane 1 according to the invention
  • Figure 1B a sectional view of the detail of the layers or “folds” and the core of this membrane.
  • Figure 2 is obviously given without limitation.
  • Figures 2 to 9 represent non-limiting structures and their property curves relating to the non-limiting examples given below.
  • the invention therefore relates to a loudspeaker diaphragm 1 characterized in that:
  • the internal face 7 is covered or not with one or more “internal folds” 8 of woven or nonwoven fibers impregnated with resin, forming a laminate or “internal skin” 9.
  • composition of the “external” laminate in particular the number and nature of the “external” folds, is variable depending on the characteristics sought.
  • the woven or nonwoven fibers forming the internal and external folds will be chosen from:
  • the foam constituting the “structural” type of core is chosen from the following:
  • the impregnation resin is chosen from the following:
  • thermosetting resins epoxy, polyester, vinylester and phenolic
  • thermoplastic resins polyamide, polypropylene
  • This sandwich material is polymerized either by compression between mold and against mold, or by vacuum molding, at a suitable temperature for allow polymerization of the resin and thus obtain a mechanically homogeneous structure.
  • the invention also relates to this method.
  • the current method allows the production of membranes for bass and medium transducers with diameters ranging from 46 cm to 10 cm.
  • the thicknesses of the internal and external folds are declined by slicing the material in various thicknesses ranging from 1.5 mm to 4 mm.
  • the CWS - 1 P / M3 structure (figures 5A / 5B) has a core one and a half times thicker than the CWS-1 P / M2 structure (figures 4A / 4B): its rigidity is increased and the damping is improved. It will be noted that the mass is little affected since the efficiency of the transducer remains identical. This solution is particularly well suited for “piston” operation in the bass.
  • the rigidity is similar, the thinner core (CWS - 2P / M1, 5 figures 6A / 6 B) covered with two external folds presents a better impulse, on the other hand the structure CWS-1 P / M3 (figures 7A / 7B) has superior damping, with a thicker core.
  • the latter without internal skin, offers a better controlled impulse and damping. It is a particularly suitable choice for the medium.
  • the best embodiment to date, and the most common version for a medium HP, consists of a core 1.5 mm thick with an outer skin of 100 microns made from two plies of glass. 50 microns.
  • the thickness of the core is 3 mm with an internal skin of 3 plies of 50 microns and an external skin of two plies of 50 microns.
  • the invention also covers loudspeakers for loudspeakers, comprising a membrane according to the invention.
  • the invention also covers loudspeakers fitted with at least one loudspeaker comprising a membrane according to the invention.
  • the invention finally covers all the applications of these membranes, loudspeakers and loudspeakers, for the reproduction of sounds, in particular in high or very high fidelity, for all private uses, in theaters, conferences, concert halls, automobiles and other land transport vehicles, sea and air transport vehicles, and the like.
  • the invention also covers all the embodiments and all the applications which will be directly accessible to those skilled in the art on reading the present application, their own knowledge, and possibly simple routine tests.

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Abstract

Membrane (1) pour haut-parleur caractérisée en ce que: elle comporte une âme (2) constituée de mousse structurale tranchée très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour la membrane dont la face externe (4) est recouverte d'au moins un, de préférence plusieurs, « plis externes» (5) de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau externe » (6), la face interne (7) est recouverte ou non de un ou plusieurs « plis internes» (8) de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau interne » (9). On obtient sensiblement les mêmes résultats en terme de rigidité, mais on apporte une différence importante qui repose sur le process où l'on maîtrise le taux de résine et le cycle de polymérisation. Au final on obtient une plus grande stabilité des caractéristiques.

Description

Membranes pour haut-parleur d'enceinte acoustique haute fidélité, multicouches, mullimaîéπau2
Secteur technique de l'invention :
La présente invention concerne le secteur technique des reproducteurs sonores utilisant une membrane émissive.
Il s'agit plus précisément d'enceintes acoustiques haute fidélité et plus particulièrement de leurs haut-parleurs, et encore plus précisément une membrane pour un tel haut-parleur.
Art antérieur
La membrane d'un transducteur assure le couplage mécanique entre une bobine mobile, placée dans un entrefer et parcourue par un courant modulé, et les molécules d'air pour assurer une reproduction sonore. Hormis sa géométrie, trois critères régissent les qualités d'une membrane au plan mécanique : son poids, sa rigidité en flexion et son amortissement.
La membrane est réalisée usuellement dans une structure mono corps dans un matériau offrant un bon compromis sur les trois critères précédents. Résultat : pour un woofer médium par exemple de 16,5 cm il est impossible d'avoir la rigidité voulue pour une reproduction idéale du grave tout en maîtrisant l'amortissement pour une reproduction correcte de la zone médium.
Une solution mono structurale ne permet pas une optimisation individuelle des critères.
Une amélioration importante a été réalisée par le brevet déposé par le demandeur sous le numéro FR 95 03092 , grâce à une membrane sandwich en mousse thermoformée recouverte d'un voile de verre sur ses deux faces. Problème technique posé :
Les progrès apportés par la qualité des sources numériques et des amplifications (tant en création musicale qu'en reproduction), avec des bandes de fréquences de plus en plus étendues de 20 Hz à 40 KHz imposent de nouveaux défis aux transducteurs.
- Rigidité pour les haut-parleurs de grave de plus en plus sollicités par des niveaux d'énergie allant croissant.
- Des masses de plus en plus réduites pour procurer des facteurs d'accélération adaptées à la reproduction des transitoires que de telles réponses en fréquence engendrent.
- Amortissement contrôlé pour s'affranchir des « colorations » sonores propres au matériau de la membrane, colorations d'autant plus marquées que la rigidité croît.
La problématique est que ces paramètres sont liés et antagonistes.
Face aux nouveaux formats de l'audio numériques , par exemple 24 bits / 96kHz, Dolby Digital, SACD, DVD Audio ...il est stratégique d'apporter aux transducteurs électrodynamiques des améliorations pour que le saut qualitatif apporté par ces formats soit en final perceptible.
Un constat s'impose, les membranes mono structurales ne permettent plus d'évoluer, leurs qualités étant liées au matériau utilisé. Il est réaliste de dire que toutes les possibilités ont été balayées au cours des cinquante dernières années. Les matériaux composites simple couche présentent les mêmes limites.
Il existe donc un besoin important et reconnu pour une membrane qui serait encore améliorée par rapport aux membranes décrites dans le brevet FR précité, tout en restant à un coût de fabrication compatible avec les exigences du marché. Résumé de l'invention :
Elle fait appel à une structure composite multicouche et multi matériaux. La structure prime sur le matériau en matière de rigidité. La solution proposée procure une rigidité en flexion près de 20 fois supérieure aux solutions classiques pour un cône de masse surfacique identique ( 6854 N/mm pour te présente invention contre 366N/mm pour la pulpe de cellulose, 313 N/mm pour le Kevlar™ imprégné, 77 N/mm pour l'aluminium et 42 N/mm pour le polypropylène).
Par rapport au brevet FR précité, on obtient sensiblement les mêmes résultats en terme de rigidité, mais on apporte une différence importante qui repose sur le process où l'on maîtrise le taux de résine et le cycle de polymérisation. Au final on obtient une plus grande stabilité des caractéristiques.
Le choix des matériaux, en particulier pour l'âme de la structure, autorise un ajustement fin de l'amortissement.
Les couches internes et/ou externes, par le matériau utilisé, le nombre de couches, autorisent un ajustement fin de la masse de la rigidité et de la vitesse de propagation du son dans la membrane. Comme indiqué ci-dessus, ceci conduit à une multitude de paramètres dont certains antagonistes.
Le Demandeur est cependant parvenu à mettre au point des membranes multicouches, multi-matériaux, de coût raisonnable et de caractéristiques très améliorées. L'avantage unique de la technologie ainsi développée est de pouvoir régler mécaniquement la réponse d'un transducteur en ajustant à la source les caractéristiques de la membrane.
On évite ainsi le recours, selon l'art antérieur, à une correction a posteriori par filtrage électrique qui pose des problèmes de phase et altère la restitution sonore. Description détaillée de l'invention :
La figure 1 A représente une membrane 1 selon l'invention, et la figure 1 B une vue en coupe du détail des couches ou « plis » et de l'âme de cette membrane. La figure 2 est évidemment donnée à titre non limitatif.
Les figures 2 à 9 (chacune A (sensibilité), B (réponse impulsionnelle) et C (structure schématique et nomenclature)) représentent des structures non limitatives et leurs courbes de propriétés relatives aux exemples non limitatifs donnés ci-dessous .
L'invention concerne donc une membrane 1 pour haut-parleur caractérisée en ce que :
elle comporte une âme 2 constituée de mousse structurale tranchée très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour te membrane
dont la face externe 4 est recouverte d'au moins un, de préférence plusieurs, « plis externes» 5 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau externe » 6.
la face interne 7 est recouverte ou non de un ou plusieurs « plis internes» 8 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau interne » 9.
La composition du stratifié « externe » , notamment le nombre et la nature des plis « externes », est variable selon les caractéristiques recherchées.
La présence de la peau interne et sa composition, notamment le nombre des « plis internes», est variable selon les caractéristiques recherchées.
A titre d'exemples non limitatifs, les fibres tissées ou non tissées formant les plis internes et externes seront choisies parmi :
les fibres de verre
les fibres de carbone, fibres de polyéthylène, aramides et para aramides (Dyneema™, Spectra™, Kevlar™, Vectran™ ...) La mousse constitutive de l'âme de type « structurale » est choisie parmi les suivantes :
mousse de Plexiglas™ à cellules fermées de densité entre 30 et 100 kg/m3, typiquement 50 kg / m3
mousse de PVC (chlorure de polyvinyle) à cellules fermées de densité entre 50 kg et 200 kg / m3
mousse de polystyrène à cellules fermées de densité entre 15 kg et 40 kg /m3
La résine d'imprégnation est choisie parmi les suivantes :
résines de type thermodurcissables : epoxy, polyester, vinylester et phénolique
résines thermoplastiques : polyamide, polypropylène
L'homme de métier saura sélectionner les matériaux ci-dessus en fonction des propriétés recherchées, en se référant aux figures annexées et éventuellement à l'aide d'essais simples.
H est à noter que l'on peut utiliser des fibres différentes, et des résines d'imprégnation différentes, ou au contraire identiques, pour fabriquer les plis, toutes les combinaisons étant possibles selon les propriétés recherchées. On peut également employer une combinaison de fibres et de résine pour les plis internes, et une autre combinaison pour les plis externes, ou bien la même combinaison.
Pour des raisons industrielles, on préférera employer la même combinaison.
Ce matériau sandwich est polymérise soit par compression entre moule et contre moule, soit en moulage sous vide, à température adéquate pour permettre la polymérisation de la résine et ainsi obtenir une structure mécaniquement homogène. L'invention concerne également ce procédé.
Exemples de réalisation
La méthode actuelle permet la réalisation de membrane pour des transducteurs de grave et de médium dont les diamètres vont de 46 cm à 10 cm.
Un échantillonnage de courbes de réponse en fréquence et impulsionnelle a été établi pour six variantes de membranes de diamètre identique pour haut parleur de 165 mm.
Les épaisseurs des plis internes et externes sont déclinées par tranchage de la matière en diverses épaisseurs allant de 1 ,5 mm à 4 mm.
Les réalisations suivantes ont été effectuées ; les courbes de sensibilité de chaque structure (figures X « A ») et de réponse impulsionnelle (figures X « B » ) sont représentées sur les figures indiquées en regard ; les structures exemplifiées sont représentées schématiquement sur les figures X « C », les plis ou peaux étant écartés de l'âme uniquement pour la clarté du dessin.
CWM-L ou CWM-2P / M 1,5 figure 2C, 9C
1 pli de verre interne,
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
1 pli externe en verre
(figures 2 A et 2 B et 9A et 9B) CWM ou CWM-3P/M1 ,5 figure 3C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
2 plis de verre internes
(figures 3 A et 3 B)
CWS-1 / M2 figure 4C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 2 mm
(figures 4 A et 4 B)
CWS-1 P/ M3 figure 5C, 7C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 3 mm
(figures 5 A et 5 B)
CWS-2P/ 1 ,5 figure 6C, 8C
2 plis de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
(figures 6A et 6B et 8A et 8B) Ces figures montrent (comportement comparé de variantes des membranes sur une base commune de haut-parleurs de 6 " 1/2 - 16,25 cm ) que :
1 Influence du nombre de plis sur une structure sandwich à épaisseur d'âme constante : la rigidité est accrue en augmentant le nombre de plis (3 plis CWM - 3P / M 1 ,5 Figures 3A / 3B contre 2 plis CWM-2P / M 1 ,5 figures 2A / 2B). La réponse en amplitude est linéarisée dans la bande 100 - 1000 hz, l'impulsion est mieux reproduite et l'amortissement est similaire.
2 Influence de l'épaisseur de l'âme sur une structure sandwich : la structure CWS - 1 P / M3 (figures 5A / 5B) possède une âme une fois et demi plus épaisse que la structure CWS-1 P / M2 (figures 4A / 4B) : sa rigidité est accrue et l'amortissement est amélioré. On notera que la masse est peu affectée car l'efficacité du transducteur reste identique. Cette solution est particulièrement bien adaptée pour un fonctionnement « en piston » dans le grave.
3 Influence comparée du nombre de plis sur la peau externe et de l'épaisseur de l'âme sur une structure sans peau interne :
La rigidité est similaire, l'âme plus mince ( CWS - 2P/M1 ,5 figures 6A / 6 B) recouverte de deux plis externes présente une meilleure impulsion, par contre la structure CWS-1 P/M3 (figures 7A / 7B) présente un amortissement supérieur, avec une âme plus épaisse.
4 Structure sandwich comparée à une structure sans peau interne, à épaisseur d'âme identique :
On compare une structure sandwich CWM - 2P / M1 ,5 (figures 9A/9B) à une structure sans peau interne, à épaisseur d'âme identique, CWS - 2P / M1 ,5 (figures 8A / 8B).
Cette dernière, sans peau interne, offre une impulsion et un amortissement mieux maîtrisés. C'est un choix particulièrement adapté pour le médium. Le meilleur mode de réalisation à ce jour, et la version la plus commune pour un HP médium, est constitué d'une âme de 1 ,5 mm d'épaisseur avec une peau externe de 100 microns réalisée à partir de deux plis de verre de 50 microns.
Pour un woofer de 33 cm l'épaisseur de l'âme est de 3 mm avec une peau interne de 3 plis de 50 microns et une peau externe de deux plis de 50 microns.
L'invention couvre encore les haut-parleurs pour enceintes acoustiques, comportant une membrane selon l'invention.
L'invention couvre également les enceintes acoustiques munies d'au moins un haut parleur comportant une membrane selon l'invention.
L'invention couvre enfin toutes les applications de ces membranes, haut- parleurs et enceintes acoustiques, pour la reproduction de sons, notamment en haute ou très haute fidélité, pour tous usages privés, dans des salles de spectacle, de conférence, de concert, les automobiles et autres véhicules de transport terrestre, les engins de transport maritime ou aérien, et analogues.
L'invention couvre également tous les modes de réalisation et toutes les applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la lecture de la présente demande, de ses connaissances propres, et éventuellement d'essais simples de routine.

Claims

REVENDICATIONS
1 Membrane 1 pour haut-parleur caractérisée en ce que :
elle comporte une âme 2 constituée de mousse structurale tranchée très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour la membrane
dont la face externe 4 est recouverte d'au moins un, de préférence plusieurs, « plis externes» 5 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau externe » 6. - la face interne 7 est recouverte ou non de un ou plusieurs « plis internes» 8 de fibres tissées ou non tissées imprégnés de résine, formant un stratifié ou « peau interne » 9.
2 Membrane selon la revendication 1 caractérisée en ce que les fibres tissées ou non tissées formant les plis internes et externes seront choisies parmi :
les fibres de verre les fibres de carbone, fibres de polyéthylène, aramides et para aramides (Dyneema™, Spectra™, Kevlar™, Vectran™)
3 Membrane selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que te mousse constitutive de l'âme est choisie parmi les suivantes :
mousse de Plexiglas™ à cellules fermées de densité entre 30 et 100 kg/m3, typiquement 50 kg / m3
- mousse de PVC (chlorure de polyvinyle) à cellules fermées de densité entre 50 kg et 200 kg / m3 mousse de polystyrène à cellules fermées de densité entre 15 kg et 40 kg /m3 4 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la résine d'imprégnation est choisie parmi les suivantes : résines de type thermodurcissables : epoxy, polyester, vinylester et phénolique résines thermoplastiques : polyamide, polypropylène
5 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que l'on peut utiliser des fibres différentes, et des résines d'imprégnation différentes, ou au contraire identiques, pour fabriquer les plis, ou également employer une combinaison de fibres et de résine pour les plis internes, et une autre combinaison pour les plis externes, ou bien la même combinaison.
6 Membrane selon la revendication 5 caractérisée en ce que on emploie la même combinaison.
7 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que les épaisseurs des plis internes et externes sont déclinées par tranchage de la matière en diverses épaisseurs allant de 1 ,5 mm à 4 mm.
8 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que elle présente une structure sandwich choisie parmi les suivantes :
CWM-L ou CWM-2P / M 1,5
1 pli de verre interne,
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
1 pli externe en verre CWM ou CWM-3P/M155
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
2 plis de verre internes
CWS-1 P/ M2
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 2 mm
CWS-1 P/ M3
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 3 mm
CWS-2P/M1 ,5
2 plis de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1 ,5 mm
9 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour des transducteurs de grave et de médium dont les diamètres vont de 46 cm à 10 cm. 10 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour un HP médium, caractérisée en ce que elle est constituée d'une âme de 1 ,5 mm d'épaisseur avec une peau externe de 100 microns réalisée à partir de deux plis de verre de 50 microns.
1 1 Membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour un woofer de 33 cm de diamètre, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'âme est de 3 mm avec une peau interne de 3 plis de 50 microns et une peau externe de deux plis de 50 microns.
12 Procédé pour la fabrication d'une membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que ledit matériau à structure sandwich est polymérise soit par compression entre moule et contre moule, soit en moulage sous vide, à température adéquate pour permettre te polymérisation de la résine et ainsi obtenir une structure mécaniquement homogène.
13 Membranes pour haut-parleurs d'enceintes acoustiques, caractérisées en ce que elles sont fabriquées par le procédé selon la revendication 12.
14 Haut-parleurs pour enceintes acoustiques, caractérisés en ce qu'ils comportent une membrane selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 et 13.
15 Enceintes acoustiques caractérisées en ce que elles sont munies d'au moins un haut parleur selon la revendication 14.
1 6 Applications des membranes, haut-parleurs et enceintes acoustiques, selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, pour la reproduction de sons, notamment en haute ou très haute fidélité, pour tous usages privés, dans des salles de spectacle, de conférence, de concert, les automobiles et autres véhicules de transport terrestre, les engins de transport maritime ou aérien, et analogues.
PCT/FR2004/000642 2003-04-09 2004-03-16 Membranes pour haut-parleur d’enceinte acoustique haute fidelite, multicouches, multimateriaux WO2004095882A1 (fr)

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