dossier Haut-parleur

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Le Haut-parleur :
I)
Qu’est ce qu’un son ?
II) Le haut-parleur à travers le temps :
III) Le principe de son fonctionnement :
1) Principale fonction
2) Description du transducteur
3) Composition
4) Principe électromagnétique
5) Application de la force électromagnétique sur le hautparleur
IV) Les différents haut-parleurs
V) Expériences
1) Déplacement de la membrane en fonction du voltage
2) Le son entendu en fonction de la fréquence
I) Qu’est ce qu’un son ?
On ne peut s’intéresser au haut-parleur sans savoir ce qu’est un son. Un
son est une perturbation de la pression de l’air. C'est-à-dire quand les molécules
qui le composent sont mises en mouvement (dans notre cas c’est le va-et-vient
périodique de la membrane du haut-parleur qui provoque la transmission dans
l’air d’ébranlement successifs de compréhensions et de dépressions).
II) Le haut-parleur à travers le temps :
Les premiers brevets concernant le haut-parleur à bobine, remontent au
XIXe siècle : Ernst Wermer (Siemens, Allemagne) le 14 décembre 1877 et sir
Oliver Lodge (G.B.) le 27 avril 1898. Mais il n’existait pas à l’époque de source
électrique qui aurait permis un fonctionnement de l’appareil. En 1924, Chester
W. Rice et Edward W. Kellog, de la General Electric (USA), déposèrent un
brevet pour un modèle de haut-parleur à bobine mobile et, en même temps,
construisirent un amplificateur capable de fournir une puissance de 1 watt à leur
dispositif. Ce dernier, le Radiola Model 104, avec amplificateur incorporé, fut
mis sur le marché l’année suivante.
Dès 1928, la firme PHILIPS
utilise ce type de Haut-parleur à
aimants permanents.
On remarquera, sur cette photo, la
longueur de l'aimant permanent.
Cette longueur est destinée à mettre le
maximum de distance entre les pôles, pour
éviter la perte d'aimantation de l'aimant.
Cette distance est matérialisée par la ligne
rouge sur le schéma ci-dessous.
Haut-parleur électrodynamique PHILIPS Type
2113 dit "le martien"
Haut-parleur électrodynamique PHILIPS
Type 2109
III) Le principe de son fonctionnement :
III)1) Le domaine d’utilisation :
Le haut-parleur est l’un des transducteurs les plus présents au quotidien.
Qu'il soit logé dans l'écouteur d'un téléphone, intégré au boîtier d'un microordinateur, d'un radio-réveil, d'un poste de télévision, ou, plus communément,
caché derrière la grille ou le tissu de protection d'une enceinte, ce dernier est
omniprésent dans notre vie quotidienne. Rare sont les moments au il n’y a aucun
transducteur de présent.
III)2) Description :
Le haut-parleur est un transducteur dont le rôle est de traduire les
variations de grandeur électrique à ses bornes en une modification d’une
grandeur acoustique. Ce changement est dû au déplacement de la membrane qui
est à l’origine des variations de la pression acoustique, elle-même responsable
du son perçu par l’auditeur. Le haut-parleur transforme les tensions alternatives,
comprises entre 20 et 20 000 Hz en vibrations acoustiques.
III)3) Composition :
Le haut-parleur est composé principalement d’un châssis (ou saladier) qui
sert à maintenir physiquement les différentes pièces du haut-parleur, d’un
aiment (à champ radial), d’une bobine pouvant effectuer un mouvement de
translation et d’une membrane solidaire de la bobine qui transmet le mouvement
de celle-ci à l’air environnant.
III)4) Principe électromagnétique :
Le principe le plus couramment utilisé et appliqué pour les haut-parleurs
repose sur les lois de Laplace, introduisant l'interaction entre champ magnétique
et courant électrique.
Parmi les conséquences de ce principe, est qu’un solide mobile traversé
par un courant, et placé dans un champ magnétique, a la capacité de se mouvoir
proportionnellement à l'intensité du courant qui le traverse. Les paramètres à
prendre en compte seront alors la valeur de ce champ et la tension aux bornes du
solide conducteur, ou l'intensité puisque chacune de ces grandeurs est reliée à
l'autre par l'impédance à travers la loi d'Ohm.
Loi De Laplace :
Nous n’utiliserons pas la théorie complète mais une partie qui nous servira
pour le haut-parleur. La loi nous dit que si on a deux rails, conducteur et
parallèles entre eux et qu’ils sont placés dons un champ magnétique créer par
un aiment U, perpendiculaire à leur plan, sur ces deux rails peut se mouvoir un
autre conducteur, qui est perpendiculaire aux deux rails et traversé par le courant
. La portion utile de ce dernier a une longueur (mesurée entre les rails). Il est
alors soumis à une force électromagnétique dont le sens est tel que le trièdre
formé par les sens du courant, le sens du champ et le sens de la force soit direct.
Dans cette configuration, la relation entre la force, le champ magnétique et le
courant est donné par f=B.l.i c’est cette relation qui est utilisé pour la
modélisation du haut-parleur électrodynamique.
III)5) Application de la force électromagnétique sur le haut-parleur
Les forces de LAPLACE sont à l’origine du mouvement de la bobine. Le
champ magnétique est radial, car les vecteurs champ magnétique sont portés par
les rayons des spires.
Chaque petite portion de spire de longueur est soumise à une force
électromagnétique . Tout le long des spires de la bobine, les forces ont la
même direction et le même sens. Globalement, l’action de l’aiment sur la bobine
peut-être modélisée par une force . La relation est f= i*L*B
L étant la longueur totale du fil de la bobine.
B le champ magnétique.
Lorsque la bobine est parcourue par un courant dont le sens est alternatif,
change de sens alternativement : la bobine et la membrane, qui en est
la force
solidaire sont animées d’un mouvement de va-et-vient. La bobine et la
membrane vibrent à la fréquence du courant. Ces vibrations provoquent celles
des couches d’air environnantes et sont à l’origine du son émis. Le haut-parleur
permet donc de convertir de l’énergie électrique en énergie mécanique.
IV) Les différents types de haut-parleur :
•
Les haut-parleurs électrodynamiques (aimant et bobine
mobile), qui représentent la majorité des modèles en service.
•
•
Les haut-parleurs électrostatiques (condensateur à armature
mobile), surtout utilisés pour restituer les fréquences élevées.
le haut-parleur de sous graves (sub-woofer) reproduisant la
région des très basses fréquences (en dessous de 200 Hz).
•
le haut-parleur de graves, nommé woofer ou
boomer, reproduisant la région des basses
fréquences (de 60 à 2
000Hz),
• le haut-parleur de médiums : reproduit la région des
fréquences moyennes (de 1 500 à 5 000 Hz),
•
le haut-parleur d'aigus, nommé tweeter ou
compression, reproduisant la région des
hautes fréquences (de 3 000 à 20 000 Hz).
Il existe également le haut-parleur coaxial. C'est un haut-parleur
comportant deux membranes, l'une pour les graves, l'autre pour les
aigus, à l'intérieur du même cadre (il peut aussi y avoir une pour les
médiums).
Le diamètre d'un haut-parleur électrodynamique peut aller de 1,5 cm (pour les
tweeters à dômes hémisphériques) à 95 cm (cas d'énormes subwoofers). Les
dimensions conventionnelles vont de 13 à 38 cm pour les registres grave
médium, de 2,5 à 10 cm pour les médiums et tweeters.
V) Expériences
V)1) Déplacement de la membrane en fonction de la tension :
Montage:
-un générateur de courant continu
-un palpeur
-un haut-parleur
Synthèse de l’expérience :
Lors de notre expérience, nous avons fait varier la tension délivrée par le
générateur afin d’observer le déplacement de la membrane, mesuré à l’aide du
palpeur. Nous avons choisit quelques valeurs que nous avons présenté dans le
tableau ci-dessous.
tension
(v)
1
2
3
4
5
6
7
8
déplacement de la membrane
(mm)
0,18
1
2,3
3,3
3,55
3,78
3,97
4,19
On observe que plus la tension est élevée plus le déplacement de la
membrane est important. On observe aussi que ce n’est pas une courbe
linéaire, à une certaine tension le déplacement devient de plus en plus
minime car il y a résistance de la membrane, si l’on délivre une tension
trop importante le haut-parleur risque d’être endommagé.
Explication du phénomène voir : III)5) Application de la force
électromagnétique sur le haut-parleur
Tension a 0V
Tension a 5V
V)3) La hauteur du son entendu en fonction de la fréquence du
courant alternatif traversant la bobine :
Montage :
- un générateur de courant alternatif
- un oscilloscope
- un haut-parleur
Synthèse de l’expérience :
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