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La membrane conique d’un haut-parleur électrodynamique à bobine mobile

pédago Les différents principes de fonctionnement des haut-parleurs - 1re partie
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La transduction, autrement dit la transformation d’une forme d’énergie en une autre, rend possible la sonorisation.

La société LD Systems a décidé d'adosser sa marque aux articles 'sonorisation'. Elle n'intervient aucunement dans la rédaction des articles en question.

Il s’agit, pour le haut-parleur, à l’inverse du microphone, de convertir l’énergie électrique en énergie acoustique. L’histoire de la sonorisation a été le terrain d’expérimentation de plusieurs techniques de transduction, avec plus ou moins de succès. Avant l’ère du haut-parleur à bobine mobile, dans la période de 1876 (brevet par Alexander G. Bell du premier transducteur électroacoustique) à 1925, on trouvait plutôt des écouteurs avec un pavillon (téléphone, phonographe) que des haut-parleurs à proprement parler. En l’absence d’amplification (la triode ne sera inventée qu’en 1906), mettre au point un appareil qui permet l’écoute à plusieurs s’avère impossible. Certains modèles annoncent déjà le haut-parleur moderne, mais il faut attendre les années 20 et l’intégration de l’ampli dans l’enceinte pour avoir un appareil capable de remplir l’espace acoustique d’une pièce.

Histoire et fonctionnement

Radiola104[radiolaguy.com]
Radiola Model 104 équipé du HP de Rice & Kellog (source radiolaguy.com

En 1925 est mis sur le marché un modèle développé par les ingénieurs Rice et Kellogg (rien à voir avec les céréales). Ce haut-parleur et son enceinte constituent une réelle avancée, avec sa bobine mobile, sa membrane conique à radiation directe et ses suspensions. L’amplificateur intégré assurait un niveau suffisant pour exploiter le haut-parleur et a sûrement contribué au succès commercial du modèle, en amenant un confort d’utilisation inconnu jusqu’alors. Même si l’enjeu n’était pas d’avoir une réponse parfaite de 20 Hz à 20 kHz (mais quand même de sonner le plus « naturel » possible), tous les composants majeurs d’un haut-parleur étaient déjà là et les concepteurs de l’époque, malgré toutes les évolutions dans les matériaux, ne seraient pas perdus en face d’un de nos haut-parleurs modernes.

La famille des haut-parleurs à bobine mobile comporte la plus grande variété de tailles et de formes, mais leur cœur est toujours constitué d’un fil conducteur enroulé sur un support cylindrique, placé dans le champ magnétique d’un aimant. L’interaction des forces magnétiques de l’aimant et de la bobine dans laquelle passe le signal qui sort de l’ampli, provoque le mouvement de la bobine. Celle-ci avance ou recule en fonction des oscillations du signal (la transduction est donc électro-mécano-acoustique si on veut être précis).

Loudspeaker bass [Svjo CC BY SA 3.0]
1) aimant ; 2) bobine mobile ; 3) suspensions ; 4) membrane [auteur : Svjo – licence : CC BY-SA 3.0]

Membrane conique

Un compromis entre rigidité et légèreté s’impose pour assurer un mouvement de la membrane le plus uniforme possible. Le diaphragme doit être suffisamment rigide (et avoir tendance à être lourd) pour se conduire en piston, mais en même temps, se doit d’être suffisamment léger, pour permettre une bonne reproduction des transitoires. L’angle du cône appelle, lui aussi, un compromis : plus fermé il favorise la rigidité, au détriment d’une directivité plus large, plus ouverte, le fractionnement de la membrane (le moment où elle cesse de se comporter comme un piston) arrive plus vite, mais la directivité s’élargit.

Les paramètres ayant une influence sur le résultat sont nombreux. Du point de vue de l’utilisateur, un des premiers que l’on regarde est le diamètre du haut-parleur, il conditionne la bande passante où il aura la meilleure sensibilité. Schématiquement, les grands diamètres permettent d’avoir plus de niveau dans les basses que les petits, mais ne sont pas assez véloces pour bien reproduire les aigus.

modes vibratoires

En pratique, une membrane conique cesse de se comporter en piston aux fréquences où ses propres modes vibratoires sont excités. Elle se fractionne : la partie de la membrane la plus proche du centre se découple de la partie la plus au bord. Il se crée alors des nœuds de flexion : des résonances et autres accidents dans la réponse. C’est un argument de plus pour filtrer et avoir différents diamètres de haut-parleur selon la bande de fréquences que l’on veut reproduire.

Les recherches sur les matériaux des diaphragmes ont conduit à de très nombreuses variations, pour essayer d’atteindre la meilleure réponse et/ou le meilleur rendement possibles : fibre de papier ou végétale, métal, kevlar et autres matières synthétiques, fibre de carbone, mélanges ou structures composites. Les techniques de fabrication aussi se sont améliorées : thermoformage et injection permettent de sculpter des nervures rigidifiant la membrane et de créer des assemblages sophistiqués en sandwich ou en nid d’abeille. Parallèlement, la précision des outils rendant possible la modélisation en amont, et le contrôle des défauts en aval, est toujours plus grande.

Dans le prochain article, nous continuerons la description des composants d’un haut-parleur à bobine mobile, à savoir : les suspensions et le circuit magnétique.

Article suivant dans la série :
La suspension et l’aimant d’un haut-parleur →
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