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Une enceinte

Une enceinte acoustique "traditionnelle" se compose d'un coffret (clos, bass-reflex, baffle plan, pavillon, etc) qui sert de charge à un ou plusieurs haut-parleurs (selon les gammes de fréquences à reproduire) et d'un filtre répartiteur des différentes gammes de fréquences.
Il existe plusieurs types de haut-parleurs : électrodynamique (le plus couramment utilisé), électrostatique (en large bande ou au sein de systèmes hybrides avec électrodynamique dans le grave), à ruban et dérivés.


 Les haut-parleurs électrodynamiques à bobines mobiles
Le premier haut-parleur utilisant l'une des méthodes de transformation d'une énergie électrique en énergie acoustique en partant d'un aimant permanent, d'une bobine mobile (réduite à une armature) solidaire d'une membrane chargée avec un pavillon, remonte à l'écouteur téléphonique, vers 1875, mis au point par Alexander Bell. Le premier brevet décrivant un haut-parleur à bobine mobile
porte la signature de Ernst Wermer et fut déposé par Siemens en 1877. Mais, le premier système moteur à bobine mobile peut être attribué à Sir Oliver Lodge en 1898. Mais, c'est en 1920 que l'on vit réaliser le premier haut-parleur électrodynamique avec membrane de 15 cm de diamètre. On le doit à deux acousticiens de la General Electric, Mrs Rice et Kellog en 1925. Le circuit magnétique utilisant deux bobines fixes (super électro-aimant) pour créer le champ au sein de l'entrefer. Afin de réduire le coût et l'encombrement on passa rapidement à l'aimant permanent dès les années 1927.
Dans sa réalisation actuelle, un haut-parleur électrodynamique se compose d'un puissant aimant procurant un champ magnétique constant dans l'entrefer, dans lequel joue la bobine mobile qui reçoit la modulation alternative du signal musical amplifié par l'ampli. Cette bobine mobile est solidaire de la membrane. Uensemble est centré par le spider et la suspension périphérique au sein du saladier qui supporte les différentes pièces constitutives.
Les aimants adoptés pour les haut-parleurs électrodynamiques pour fournir un champ élevé dans Pentrefer sont réalisés à partir d'une ferrite (céramique magnétique) magnétisée au cours de la fabrication du haut-parleur par une machine à base d'un très puissant électroaimant. Les aimants à base de ticonal (alliage de titane, cobalt, nickel, aluminium) sont désormais rarement utilisés sauf sur quelques réalisatiens prestigieuses, très onéreuses. Les aimants néodyme sont adoptés parfois sur les tweeters (faible volume, très grande énergie). Les pièces polaires sont formées en acier doux et d'une section suffisante pour offrir une résistance faible au flux magnétique.
Ce circuit magnétique peut être blindé pour éviter les fuites magnétiques vers l'extérieur, cas des haut-parleurs utilisés pour les enceintes home cinéma.
La bobine mobile est sur un support cylindrique qui peut être en bakélite (très rare), en nomex (tient bien la température), aluminium (pour médium et tweeter), voire sans support (cas de certains petits tweeters). Elles peuvent être bobinées soit avec du fil de cuivre vernis de section ronde (cas le plus courant), soit de section plate (bobinage dit sur chant pour un bon remplissage, sans perte), soit hexagonale (pour les mêmes raisons).
La membrane solidaire de la bobine peut être ormée dans de la pulpe de cellulose (papier traité), tissée en fibre de verre, fibre de carbone, ou mélange des deux, tissu imprégné, sandwich aluminium et polystyrène, voir moulées dans un matériau synthétique polypropylène chargé ou non de carbone, cela pour les haut-parleurs grave médium ou médiums.
Pour les tweeters et médiums, on peut trouver les formes de dômes convexes ou concaves formés dans : du tissu imprégné, phénolic, aluminium, titane, le but étant d'avoir le maximum de rigidité par rapport à la masse la plus faible possible.
Les suspensions périphériques peuvent être à bord roulé en caoutchouc synthétique, petits plis, en tissu imprégné, en forme d'iris ou de jonc très fin. Le spider est en tissu traité à plis concentriques ou fibres synthétiques.
Le diamètre d'un haut-parleur électrodynamique peut aller de 95 cm (cas d'énormes subwoofers) à 1,5 cm (pour les tweeters à dômes hémisphériques). Les dimensions conventionnelles vont de 38 à 13 cm pour les registres grave médium, de 10 à 2,5 cm pour les médiums et tweeters.
Le principe de fonctionnement est simple, mettant en application le phénomène physique décrit par la loi de La Place. La bobine mobile reçoit la modulation alternative du signal amplifié par l'amplificateur, créant un champ autour d'elle de sens magnétique alterné suivant le signal, face au champ fixe Nord/Sud, crée par l'aimant permanent dans l'entrefer. De ce fait, la bobine sera mise en mouvement d'avant en arrière autant de fois par seconde que la fréquence du signal à reproduire, entraînant la membrane du même mouvement, poussant ou attirant les molécules d'air ambiant "créant" le son.

 Les haut-parleurs électrostatiques
Autre principe de fonctionnement utilisé pour des systèmes de très haut de gamme, le transcodeur électrostatique.
L'une des caractéristiques essentielle des haut-parleurs électrostatiques est que le moteur est aussi l'élément de couplage à l'air. Il s'agit d'un diaphragme constitué d'une fine membrane en mylar qui reçoit un revêtement "semi-conducteur" de grande résistance électrique (plus de 1 milliard d'ohms) par centimètre. Ce diaphragme très mince est placé entre deux électrodes perforées (pour laisser passer l'onde sonore) attaquées respectivement par le secondaire d'un transformateur adaptateur qui reçoit à son primaire la modulation en provenance de l'amplificateur.
Le point milieu du secondaire reçoit une tension de polarisation (fournie par un circuit multiplicateur de tension à diodes) d'un côté, tandis que de l'autre la tension est appliquée à la membrane au travers d'une résistance de forte valeur (revêtement semi conducteur vu plus haut). Ainsi, quand un signal audio alternatif est appliqué au primaire du transformateur, il apparait au secondaire une tension déphasée de plusieurs centaines de volts qui est appliquée à la membrane qui quittera sa position de repos pour être attirée vers l'une ou l'autre des armatures qui reçoit le signal déphasé. Le déséquilibre de potentiel provoque le déplacement de la membrane, suivant la polarisation du signal audio.
Les avantages du principe électrostatique résident dans une masse mobile négligeable de grande surface avec une réponse transitoire ultra rapide, une absence de traînage et un fonctionnement en piston sur une large gamme de fréquences. Par contre, le rendement est plus faible qu'avec les "classiques électrodynamiques", et nécessite des amplis stables (charge capacitive) et capables de fournir du courant (impédance qui chute dans l'aigu souvent inférieure à 1 Ohm).

 Les haut-parleurs à ruban
Bien que différents d'aspect aux haut-parleurs électrodynamiques, ils fonctionnent selon le même principe que le transducteur à bobine mobile, sauf que le ruban est à la fois l'élément de couplage avec l'air et la bobine mobile "à plat".
Le ruban (souvent en aluminium plissé) reçoit (via un transformateur adaptateur d'impédance) la modulation en provenance de l'ampli. Le ruban est placé dans le champ de fuite (entrefer large) de deux puissants aimants de polarité continue Nord/Sud. Selon la loi de Fleming (ou de La Place, règle des trois doigts) le ruban se déplace d'avant en arrière selon le sens de la modulation et autant de fois par seconde que la fréquence à reproduire. Ce type de transducteur est utilisé pour les tweeters, avec un pavillon pour améliorer le rendement.

 Les transducteurs isodynamiques
Ils font aussi partie des électrodynamiques et sont dérivés des transducteurs à ruban. Ils ne doivent pas être confondus avec les électrostatiques. Ils se présentent sous la forme d'un cache support, des rangées de barreaux magnétiques alternativement de sens magnétique opposé créant entre eux des champs de fuite devant lesquels sont placés les conducteurs formant une grecque collée sur une membrane plane en matériau synthétique.
La bobine à plat est solidaire de la membrane, l'ensemble se déplace (toujours d'après la loi de La Place) selon le sens du signal musical alternatif amplifié par l'amplificateur. On retrouve ce principe sur des enceintes planes (Magnepan) et sur certains tweeters à diaphragme plan (Infinity).

 Les enceintes acoustiques
Les haut-parleurs reçoivent la modulation en provenance des amplificateurs transformant cette énergie électrique en énergie mécanique pour communiquer aux masses d'air environnantes des variations de pression plus ou moins fortes et rapides. Pour réaliser un bon couplage entre leur membrane et l'air ambiant, il faut pour reproduire les fréquences basses qu'il soit chargé. En effet, un court-circuit acoustique se produit entre la zone de "surpression" à l'avant du haut-parleur et celle de dépression à l'arrière. Tant que la distance (schémas) entre ces deux zones est supérieure à la demi longueur d'onde des fréquences à reproduire, les signaux sont correctement restitués (cas du haut médium et de l'aigu). Par contre, dans le grave, quand cette distance devient inférieure à cette demi longueur d'onde, il se produit une neutralisation entre la surpression à l'avant et la dépression à l'arrière de la membrane avec une perte de rendement considérable. Ainsi, pour les basses fréquences, on réduit ces effets de court-circuits acoustiques et on essaye dans certains cas de récupérer l'énergie arrière avec différents types de charges.

- Le baffle-plan

La charge la plus simple est le baffle-plan dont les dimensions doivent être plus ou moins égales à la demi longueur d'onde de la fréquence la plus basse à reproduire (pour 100 Hz, il faudrait un baffle de 1,70 m de côté). Très peu usité pour des raisons évidentes d'encombrement, de rendement, ce type de charge procure une bonne réponse transitoire (équilibre des pressions de part et d'autre de la membrane), une grande rapidité dans l'établissement des notes, pas de traînage.

- Enceinte close

Une enceinte close peut aussi porter le nom de baffle infini (de manière impropre) ou de travail du haut-parleur selon le principe de la suspension acoustique. On isole le rayonnement arrière de celui émis par l'avant. Le coffret clos doit être étanche et rempli de matériau absorbant. Il nécessite des haut-parleurs à suspension périphérique souple, calculés pour le volume clos de la charge et à grand débattement. Le rendement n'est pas très élevé, mais permet de descendre bas en fréquence sous un volume assez restreint et demande de la puissance.

- Enceinte bass-reflex

Cette charge tend à récupérer une partie de l'énergie rayonnée par la face arrière du hautparleur au travers d'un évent débouchant vers l'arrière ou le devant de l'enceinte. Le principe de fonctionnement repose sur le fait que lorsqu'une cavité communique avec l'air extérieur par une petite ouverture (cas de l'évent), il existe une certaine fréquence pour laquelle la masse de l'air "poussée au travers de l'évent" entre en résonance avec les forces élastiques de l'air enfermé à l'intérieur de la cavité (selon le principe du résonateur de Helmholtz).
En règle générale, le volume de l'enceinte et les dimensions de l'évent sont déterminées de telle manière que la fréquence de résonance de l'ensemble soit proche de celle du haut-parleur, la membrane du haut-parleur est dans ce cas fortement chargée et ses débattements réduits, avec une diminution de la distorsion et une énergie qui rayonne fortement par l'évent. On améliore ainsi le rendement aux fréquences basses mais il faut que l'ensemble soit bien calculé pour éviter toutes toniques, traînage, effets de désamortissement.
Des variantes peuvent être apportées telles que labyrinthe interne (pour augmenter la longueur du trajet), double résonateur interne (pour lisser les résonances parasites), radiateur passif (un haut-parleur sans bobine ni circuit magnétique "freine" le passage de "l'évent virtuel" lissant les modes de résonance parasites, tout en assurant le transfert à l'air ambiant de l'énergie émise. Il faut que la masse de l'équipage mobile du radiateur passif soit bien calculée en fonction du volume et des caractéristiques du haut-parleur actif pour éviter le traînage ou des mises hors phase entre les deux haut-parleurs actif et passif.

- Enceintes à pavillon

Le pavillon placé devant le haut-parleur est un système de couplage à l'air ambiant qui adapte l'impédance élevée de la membrane pour le grave (ou du diaphragme pour le médium et l'aigu) à l'impédance basse de l'atmosphère. Ainsi, les pavillons augmentent considérablement le rendement des haut-parleurs qui leur sont associés, dans une gamme de fréquence précise (peut couvrir environ trois octaves) correspondant aux dimensions physiques du pavillon dont la section découle des différentes formules d'expansion. On ne peut donc couvrir avec un seul pavillon l'ensemble du spectre sonore. Les dimensions du pavillon sont étroitement fiées à la longueur d'ondes des fréquences les plus basses à transmettre, d'où des dimensions gigantesques dans le grave, peu compatibles avec une utilisation domestique, sauf de contourner "l'obstacle" en réalisant des pavillons repliés (Klipsch).
Le rendement très élevé des systèmes à pavillon va de pair avec une faible distorsion pour un niveau donné, une puissance acoustique très importante (nettement supérieure au rayonnement direct).
Par contre, il faut qu'il soit bien calculé pour éviter les sonorités de "canard" et les colorations de toutes sortes et réflexions internes, avec une directivité "très pointue" dans les hautes fréquences qui peut être améliorée par l'utilisation de lentilles acoustiques, ou association de plusieurs "cellules pavillonnaires" pour "arroser" selon des angles bien définis dans les plans horizontal et vertical.

 


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