2014-2015
SAÉ C2-C3
SCT-4061
SAÉ - LE HAUT-PARLEUR EN VEDETTE CORRIGÉ
Source
Concepts préalables SCT-3061
•Fonction d’alimentation
•Fonction de conduction
•Symboles des composants électriques
Concepts préalables SCT-3063:
•Fréquence
•Longueur d'onde
•Amplitude
•Échelle dB (décibel)
Concepts prescrits SCT-4061
•Forces d'attraction et de répulsion
•Champ magnétique d'un fil parcouru par un courant
•Champ magnétique d'un solénoïde
•Champ électrique
•Électricité statique
•Standards et représentations : schémas et symboles
•Fonction de transformation de l'énergie
Corrigé| Par Diane Gosselin, CSSH et Alain Roy, CSP
source
SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ
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Mise en situation
On dit que c’est facile de fabriquer soi-même un haut-parleur. Mais qu’en est-il?
Comment les haut-parleurs fonctionnent? Comment sont-ils conçus? Telles sont les
questions auxquelles vous devriez être en mesure de répondre à la fin de cette
situation d’apprentissage suite à la réalisation d’une étude de principe sur le hautparleur et peut-être serez-vous prêt, par la suite, à tenter l’expérience de la
fabrication d’un haut-parleur.
1- Quelles sont vos connaissances actuelles sur le haut-parleur?
Exemple de réponses :
Amplifie le son.
Il comporte une membrane qui vibre selon le son.
Il est souvent accompagné d’une enceinte.
Il fonctionne à l’électricité.
2- Où retrouve-t-on des haut-parleurs dans notre environnement?
Exemple de réponses :
Cellulaire
Ordinateur
Télévision
Système de son
Radio-réveil
3- Qu’est-ce que le son?
Le son est une vibration mécanique d'un fluide, qui se propage sous forme d'ondes
longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide. Les êtres humains, comme
beaucoup d'animaux, perçoivent cette vibration grâce au sens de l'ouïe.
Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Son_(physique)
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4- Qu’est-ce que la fréquence d’une onde? Nombre d’oscillations par seconde.
5- Quelle est la plage de fréquence audible de l’oreille humaine? 16 Hz et 15 à
20 kHz.
6- Encerclez la bonne réponse. Une onde sonore de basse fréquence produit un
son
grave ou
aigu?
7- Qu’est-ce que la longueur d’une onde? C’est la distance entre deux points
identiques d’une onde, à un instant donné (ex. distance entre deux crêtes).
8- Comment définissez-vous l’amplitude d’une onde? Puissance du son.
9- Situez, sur l’Échelle dB (décibel), le niveau dangereux pour l’oreille humaine
pour la durée d’une journée d’école (8 heures). 80 dB
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Formuler une hypothèse
Selon vos connaissances actuelles, par quel principe scientifique le hautparleur arrive-t-il à produire un son?
Choix de réponse :
A) Grâce à l’électricité statique
B) Grâce au champ magnétique
C) Grâce au champ électrique
Expliquez votre raisonnement :
Bonne réponse : B
Exemple de raisonnement : La présence d’un aimant et d’une bobine dans le hautparleur impliquent la présence d’un champ magnétique. Le champ électrique quant à lui
s’applique à des charges ponctuelles, ce qui n’est pas le cas ici. L’électricité statique
s’applique uniquement lorsqu’il n’y a pas de circulation d’électrons. Ici il y a circulation
d’électrons dans un circuit.
Vérifier l’hypothèse (recherche documentaire)
1) Déterminez la fonction globale du haut-parleur :
Transformer un signal électrique en son audible par l’oreille humaine afin
d’envoyer la voix et de la musique à de bien plus grandes distances que la voix
ordinaire peut accomplir ou afin de permettre de faire entendre de la voix et
de la musique enregistrée.
2) Repérez les divers composants du haut-parleur et en déterminez les fonctions
respectives
 solénoïde : produit une force de mouvement lorsque parcouru par un courant
en présence de l’aimant permanent.
 Support cylindrique : supporte le solénoïde
 Ressort : fonction d’amortisseur
 Noyau constitué d’un aimant permanent : sert de champ magnétique
permanent
 Support en bois: supporte toutes les composantes
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Partie structure :




Châssis ou saladier: sert à maintenir physiquement en place les
différentes pièces non mobiles du haut-parleur.
Membrane : qui agit tel un piston et repousse les molécules d’air
environnantes. De la taille de cette membrane dépend directement la
gamme de fréquences retranscrites.
Spider : l’amortissement du déplacement de la membrane pour éviter son
usure et donc l’altération du son.
Suspension périphérique : l’amortissement du déplacement de la membrane
pour éviter son usure et donc l’altération du son.
Partie moteur :

Bobine mobile: Une bobine mobile disposée sur un support cylindrique au
centre du haut-parleur dans le sens axial, qui traversé par un courant et
sous l’effet d’un champ magnétique va imposer un déplacement à la
membrane à laquelle elle est rattachée. Du diamètre de la bobine
dépendra en partie la puissance du haut-parleur.
Aimant permanent généralement polarisé dans le sens axial permettant
d’affecter un champ magnétique aux différents éléments du haut-parleur.
Contrairement à une idée reçue, la taille de l'aimant n'a pas de lien direct avec le
rendement du haut-parleur, ici l’aimant est simplement utilisé en tant que source
d’énergie magnétique.
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3) Représentez schématiquement des principes de fonctionnement et de
construction du haut-parleur et de ses composants.
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4) Décrivez les transformations d’énergie qui surviennent durant le fonctionnement
du haut-parleur.
Le principe de restitution du son par un haut-parleur s’effectue un trois temps :
1. Un moteur transforme l'énergie électrique en énergie mécanique
2. Ce moteur transmet ensuite cette énergie mécanique à la membrane
3. La membrane transmet l'énergie mécanique à l'air ambiant, d’où la
formation d’un son.
5) Décrivez les principes de construction (matériaux et assemblage) du haut-parleur
et de ses composants
La membrane
Les membranes de haut-parleurs sont fabriquées en matériaux rigides qui vont
pouvoir résister aux vibrations sans se déformer. La plupart sont en carton
traité, mais on en trouve également en Kevlar, en fibre de carbone tressées voire
même en aluminium.
La suspension
Concernant les suspensions, elles sont maintenant faites à base d'élastomère,
comme le caoutchouc par exemple. Ces matériaux possèdent en effet des
propriétés très intéressantes : ils peuvent supporter de très grandes
déformations avant rupture.
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6) Mettre en relation des principes de fonctionnement et de construction du hautparleur et de ses composants en s’appuyant sur des concepts, des lois, des
théories ou des modèles.
a) Décrivez le comportement d’une boussole dans le champ magnétique d’un
aimant suite au visionnement de la vidéo suivante.
Il y a phénomène d’attraction des extrémités de polarités différentes qui se
manifeste par l’alignement de l’aiguille de la boussole avec l’aimant.
Il y a
phénomène de répulsion des extrémités de même polarité qui se manifeste par la
rotation et la réorientation de l’aiguille de la boussole.
Comment ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur?
L’aimant du haut-parleur étant fixe, le fait de changer le sens du courant dans la
bobine (solénoïde), crée un phénomène d’attraction et de répulsion en alternance
d’où origine le mouvement de la membrane.
b) Décrivez le comportement d’une boussole dans le champ magnétique crée par
un fil parcouru par un courant électrique suite au visionnement de la vidéo
suivante.
Sans le passage de courant les boussoles sont alignées. Lorsque nous faisons
passer
un
courant
les
boussoles
dévient
perpendiculairement au fil conducteur.
et
"tendent"
à
s'orienter
Le sens du courant détermine
l'orientation des boussoles.
Ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur? Justifiez.
NON. Il ne s’applique pas directement au haut-parleur puisque dans ce cas, il
s’agit plutôt d’un champ magnétique produit par un solénoïde.
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c) Décrivez le champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant
électrique (règle de la main droite)
Lorsqu'un courant circule dans un fil, il y a un champ magnétique induit autour
de ce dernier. Le sens du champ magnétique est déterminé par le sens du
courant et l'intensité du champ magnétique est déterminée par l'intensité du
courant.
La règle de la main droite permet de déterminer l’orientation du champ
magnétique.
Lorsque le pouce de la main droite est placé dans le sens du
courant, les doigts sont orientés dans le sens du champ magnétique.
d) Nommez des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ
magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant. Expliquez leur
influence sur l’intensité du champ magnétique.
Il y a deux moyens : changer la nature du fil et modifier l’intensité du courant.
Plus l’intensité du courant est grande, plus l’intensité du champ magnétique est
grande.
La nature du fil influence la conductibilité électrique et par conséquent
l’intensité du courant. Plus un fil est conducteur, plus il permet une intensité
de courant élevée.
e) Nommez des moyens d’induire un courant électrique dans un fil.
Mouvement d’un aimant
Variation du champ magnétique par la rotation de la bobine, entre autre.
f) Décrivez le champ magnétique produit par un solénoïde (règle de la main
droite)
Lorsqu'un courant circule dans un enroulement de fil (solénoïde) ce dernier se
comporte comme un aimant. Il produit ainsi un champ magnétique. Le sens du
champ magnétique est déterminé par le sens du courant et l'intensité du
champ magnétique est déterminée par l'intensité du courant.
La règle de la main droite permet de déterminer l’orientation du champ
magnétique. Le pouce indique le nord lorsque les doigts sont orientés dans le
sens du courant.
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Comment ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur?
Lorsque le champ magnétique créé par le courant circulant dans le solénoïde
interagit avec le champ magnétique de l’aimant permanent du haut-parleur
cela nous donne un mouvement de va-et-vient de la membrane puisque le
solénoïde est fixé à la membrane.
g) Nommez des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ
magnétique produit par un solénoïde. Expliquez leur influence sur l’intensité du
champ magnétique.
Il y a trois moyens permettant de modifier l'intensité du champ magnétique
produit par un solénoïde; soit la variation du nombre de spires, le changement
de la nature du noyau et la variation de l'intensité du courant.
Plus le nombre de spires est grand, plus l’intensité du champ magnétique est
grande.
Plus l’intensité du courant est grande, plus l’intensité du champ magnétique est
grande.
La nature du noyau influence l’intensité du champ magnétique. Exemple, un
noyau ferromagnétique implique une plus grande intensité du champ
magnétique qu’un noyau de bois.
Ces divers moyens de modifier l’intensité du champ magnétique s’appliquent-tils au haut-parleur? Justifiez.
OUI. L’amplitude de déplacement de la membrane du haut-parleur se produit
selon la variation du champ magnétique en intensité et en orientation. Ainsi les
concepteurs choisissent les matériaux du noyau et ils adaptent le nombre de
spires en fonction de la puissance sonore désirée. La variation de l’intensité
du courant est une caractéristique extrinsèque au haut-parleur. Elle provient
de l’amplificateur.
Lors de la conception du haut-parleur on ne peut que
calibrer l’intensité maximale possible qui, en fait, détermine le volume sonore
maximal (puissance).
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h) Expliquez l’utilisation du solénoïde dans le haut-parleur suite au visionnement
de la vidéo.
Lors du passage du courant le champ magnétique produit par le solénoïde
interagira avec le champ magnétique de l'aimant et selon le sens du courant
dans le solénoïde ce dernier sera attiré ou repoussé par l’aimant. Comme le
solénoïde est fixé sur un "amortisseur",
il reviendra à sa position initiale
lorsqu'il n'y aura plus de courant dans le solénoïde. Une onde sonore comporte
des alternances du sens du courant et une fréquence qui lui est propre. Cela
fait en sorte que la membrane du haut-parleur qui est fixée au solénoïde
mobile bouge par des alternances de va-et-vient selon cette fréquence.
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Tirer des conclusions
1- Commentez les solutions adoptées pour la conception et la fabrication.
Exemple de commentaire :
Conception de relative simplicité.
2- Proposez des améliorations au haut-parleur.
Exemple d’amélioration :
Choix des matériaux pour la membrane, la suspension.
3- Est-ce que votre hypothèse de départ quant au principe scientifique avec
lequel le haut-parleur arrive à produire un son était la bonne? Expliquez.
Communiquer
Remettez le cahier de l’adulte à votre enseignant (e).
Bibliographie :

http://perso.univlemans.fr/~fcalvay/mnpm/Projet%20HautParleur%20Suspension.pdf

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Wikipédia
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