Le haut-parleur

TP8
Le haut-parleur
(Mots-clés : enceintes acoustiques)
Les enceintes acoustiques sont des émetteurs sonores dédiés à
une bonne restitution des sons audibles par l’Homme. Elles
sont constituées d’un ou plusieurs haut-parleurs, chacun
permettant la restitution d’une plage de fréquence qui dépend
de ses caractéristiques (fig. 1).
Fig. 1 : Fiche signalétique d'un haut-parleur Seas L22 RN/4X (H1208)
Comment fonctionne un haut-parleur ?
DOCUMENTS MIS A DISPOSITION :
DOC. 1 : PRINCIPE DU HAUT-PARLEUR ELECTRODYNAMIQUE
1 : Membrane conique (ou diaphragme)
2 : Suspension externe
3 : Bobine mobile située dans l’entrefer de l’aimant et
attachée au diaphragme
4 : Le Saladier métallique ajouré
5 : Suspension interne (ou spider)
6 : Aimant fixe
Fig. 2 : Coupe d'un haut-parleur
Le haut-parleur le plus largement utilisé est le haut-parleur électrodynamique : il reçoit une énergie électrique
(signal audio) qu’il transforme en énergie mécanique (la bobine se met en mouvement et entraine la membrane)
puis en énergie acoustique (le déplacement de la membrane crée une pression acoustique qui produit des sons
vers l’avant et vers l’arrière du haut-parleur).
DOC. 2 : BANDE PASSANTE ET COURBE DE REPONSE D’UN HAUT-PARLEUR ELECTRODYNAMIQUE
Fig. 3 : Courbes de réponse de trois haut-parleurs


Fig. 4 : Courbe de réponse d’une enceinte acoustique de bonne qualité
La courbe de réponse d’un haut-parleur est la représentation graphique du niveau d’intensité sonore obtenu
(exprimé en dB) en fonction de la fréquence de la tension qui l’alimente (exprimée en Hz) ;
La bande passante d’un haut-parleur est le domaine de fréquences des sons qu’il est capable de restituer. Elle
se déduit de la courbe de réponse du haut-parleur : elle correspond à la plage de fréquences pour lesquelles la
réponse du haut-parleur est sensiblement constante.
Émetteurs et récepteurs sonores
1
DOC. 3 : DIAGRAMMES DE BODE DE TROIS HAUT-PARLEURS DIFFERENTS ET FREQUENCE DE COUPURE
Fig. 5 : Les zones bleues correspondent aux infrasons (f < 20 Hz). Les ultrasons ont des fréquences supérieures à 20 kHz.

Une fréquence de coupure à – 3 dB est une fréquence pour laquelle le gain en tension vérifie l’expression
suivante :
G3 dB  Gmax  3 dB

La bande passante à – 3 dB est l’intervalle de fréquence limité par les deux fréquences de coupure à – 3 dB.
DOC. 4 : LA FORCE DE LAPLACE
Lorsqu’un conducteur métallique, de longueur L, parcouru par
un courant d’intensité I, est placé dans un champ magnétique
uniforme B, il est soumis à une force électromagnétique F ,
appelée force de Laplace dont les caractéristiques sont :




Point d’application : milieu du conducteur ;
Direction : perpendiculaire au plan formé par le conducteur
et le vecteur champ magnétique ;
Sens : les sens de I, de B et de F doivent former un trièdre
direct.
Intensité :
I  intensité du courant (en A)
L  longueur du conducteur soumis
F  I  L  B  sin 
au champ magnétique (en m)
B  intensité du champ magnétique (en T)
F  intensité de la force de Laplace (en N)
( = angle entre L et B)
1. Force de Laplace
Lorsqu’un matériau conducteur, de longueur L, parcouru par un
courant d’intensité I, est placé dans un champ magnétique B , il
est soumis à une force électromagnétique F appelée force de
Laplace. La règle des trois doigts de la main droite (ci-dessous)
permet de prévoir le sens et la direction de cette force.
F = I  L  B  sin 
F s’exprime en Newton (N)
I en Ampère (A)
B en Tesla (T)
 = angle entre le conducteur
et le champ magnétique
Émetteurs et récepteurs sonores
2
Protocole expérimental :
 Réalisez le montage expérimental photographié page précédente.
 Approchez l’aimant de la bobine. Observez.
 Remplacez le générateur par un GBF, réglé pour alimenter la bobine avec une tension sinusoïdale de fréquence
f < 10 Hz.
 Maintenez l’aimant à proximité de la bobine et observez.
Rappel : champ magnétique crée par un aimant droit
Questions
Q1. De quels paramètres dépend la force de Laplace ? Vérifiez-le expérimentalement.
Q2. Représentez (à l’aide de schémas légendés) et expliquez vos observations.
2. Restitution d’un son par un haut-parleur (expérience professeur)
V
Stroboscope
Haut-parleur
G.B.F.
Le stroboscope permet d’observer des mouvements
trop rapides pour être vus à l’œil nu et d’en déterminer
la fréquence. Pour cela, il faut éclairer le système étudié
en partant de la plus grande fréquence possible pour les
éclairs puis diminuer lentement la fréquence des éclairs
jusqu’à observer une immobilité apparente du système.
La fréquence des éclairs est alors égale à la fréquence du
système vibratoire observé.
Protocole expérimental :
 Réalisez le montage expérimental schématisé ci-dessus ;
 Réglez le GBF afin qu’il délivre une tension sinusoïdale de fréquence f = 100 Hz ;
 Réglez le GBF pour qu’il délivre une tension (lue sur le multimètre ou l’afficheur) d’amplitude Umax = 2,0 V ;
 À l’aide du stroboscope, déterminez la fréquence f ‘ de vibration de la membrane du haut parleur.
Question
Q3. Comparez la fréquence f ’ de vibration de la membrane du haut-parleur avec la fréquence f de la tension
alternative sinusoïdale qui l’alimente. Conclure.
Q4. @ Pourquoi peut-on dire qu’un haut-parleur est un transducteur électroacoustique ?
3. Courbe de réponse et bande passante d’un haut-parleur
Émetteurs et récepteurs sonores
3
Réglages à effectuer :

Régler le générateur de fonctions sur la position régime sinusoïdal et
afin qu’il délivre une tension de fréquence f = 40 Hz ;

Régler la tension lue sur le multimètre à 2,0 volts en agissant sur le
bouton d’amplitude du G.B.F. ;

Placer le sonomètre à environ 10 cm devant le haut-parleur.
Protocole expérimental :
 Réalisez le montage expérimental schématisé ci-dessus ;
 Réglez le GBF afin qu’il délivre une tension sinusoïdale de fréquence f = 40 Hz ;
 Réglez le GBF pour qu’il délivre une tension (lue sur le multimètre) d’amplitude Umax = 2,0 V ;
 Faire varier la fréquence f délivrée par le G.B.F. de 40 Hz à 10 000 Hz (ou 20 000 Hz) ;
 Pour chaque valeur de la fréquence veillez à :
- conserver une tension constante et égale à 1 volt ;
- régler la gamme de mesure d’intensité acoustique.
 Relevez, sur le sonomètre, le niveau d’intensité acoustique L (arrondi à l’unité) correspondant et le noter
dans le tableau ci-dessous.
Tableau des mesures :
f (en Hz)
40
100
500
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
7 000
8 000
9 000
L (en dB)
f (en Hz)
10 000 11 000 12 000 13 000 14 000 15 000 16 000 17 000 18 000 19 000 20 000
L (en dB)
Questions
Q5. Pourquoi l’amplitude de la tension d’alimentation du haut-parleur doit-elle rester constante ?
Q6. [Doc. 2] Tracez la courbe de réponse du haut-parleur sur la feuille de papier quadrillée semi-logarithmique (voir
annexe). Commentez l’allure de la courbe obtenue.
Q7. Déterminez graphiquement la (ou les) fréquence(s) de coupure à 90 dB.
Q8. En déduire la bande passante du haut-parleur à 90 dB.
Q9. [Doc. 3] En déduire le type (boomer, médium ou tweeter) du haut-parleur étudié.
Q10. Que se passe-t-il si, pour une même fréquence, on place le sonomètre à une distance différente ?
Q11. Quelle serait la conséquence sur la courbe de réponse ? Que peut-on en conclure ?
4. Conclusion
Rappelez le principe de fonctionnement d’un haut-parleur en expliquant les phénomènes physiques mis en jeu (à
l’aide de schémas/dessins éventuellement). Établir le lien entre les paramètres du haut-parleur et la restitution des
sons.
Exercices :
-
n°7 p104 (lire le bilan du chapitre avant) ;
n°11 p105
n°12 p106
Émetteurs et récepteurs sonores
4
Émetteurs et récepteurs sonores
5
ANNEXE
(Voir fiche méthode p197 du livre)
Émetteurs et récepteurs sonores
6
TABLEAU DES COMPETENCES MISES EN ŒUVRE DANS L’ACTIVITE
Exemples de capacités et d’aptitudes
COMPÉTENCES
MOBILISER SES
CONNAISSANCES
Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles
adaptés, les unités.
Rechercher, extraire et organiser l’information utile.
Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.
S’APPROPRIER
Questionner, identifier, formuler un problème.
Reformuler.
Identifier les risques.
Réaliser un montage à partir d’un schéma.
Suivre un protocole donné.
Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.
Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.
Effectuer un relevé de mesures.
REALISER
Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.
Exploiter une relation, un calcul littéral.
Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la
calculatrice.
Reconnaître et utiliser la proportionnalité.
Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail,
etc.
Émettre une hypothèse.
Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.
Élaborer ou justifier un protocole.
ANALYSER
Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une
méthode, un protocole).
Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.
Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.
Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.
VALIDER
Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.
Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.
Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.
COMMUNIQUER A
L’AIDE DE LANGAGES
OU D'OUTILS
Communiquer des résultats, rédiger une solution.
SCIENTIFIQUES
Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.
Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).
S’impliquer.
ÊTRE AUTONOME,
Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.
FAIRE PREUVE
D’INITIATIVE
Travailler en autonomie.
Travailler en équipe.
Émetteurs et récepteurs sonores
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CORRECTION
1. Force de Laplace
Q1. L’expression de la force de Laplace montre qu’elle dépend de l’intensité du courant électrique parcourant la
bobine et du champ magnétique créé par l’aimant. Expérimentalement, on constate que le sens de la force de
Laplace dépend du sens du courant électrique parcourant la bobine et de l’orientation du champ magnétique créé
par l’aimant. Son intensité dépend de l’intensité du courant et/ou du champ magnétique créé par l’aimant.
Q2. Observations :
F
2. Principe de fonctionnement d’un haut-parleur
Réponses aux questions :
Q3. On applique aux bornes du haut-parleur une tension de fréquence réglée à la valeur f. On éclaire la membrane
du haut-parleur avec un stroboscope en partant de la fréquence f ’ la plus haute possible. On diminue alors la
fréquence f ‘ des éclairs lumineux jusqu’à observer une immobilité apparente de la membrane.
On constate alors que la fréquence f ’ de vibration de la membrane d’un haut-parleur est quasiment égale à la
fréquence f de la tension d’alimentation de la bobine du haut-parleur.
Q4. Un transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre. Le haut-parleur est donc un
transducteur électro-acoustique puisqu’une grandeur électrique (la tension appliquée à ses bornes) est convertie en
un son.
3. Courbe de réponse et bande passante d’un haut-parleur
Dessin du montage :
G.B.F.
Interrupteur
Voltmètre
Haut-parleur
Sonomètre
Réponses aux questions :
Q5. L’amplitude de la tension doit rester constante, car, si elle est modifiée, le niveau sonore est aussi modifié et la
mesure obtenue ne dépendrait pas seulement de la fréquence mais aussi de l’amplitude de la tension à l’entrée.
Q6. La courbe de réponse du haut-parleur est la courbe représentant la variation du niveau d’intensité acoustique L
(en dB) en fonction de la fréquence f (en Hz).
Exemple de tableau des mesures :
f (en Hz)
40
100
500
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
7 000
8 000
9 000
L (en dB)
51
63,5
80
97
92
93
99
84
79,5
78,5
73
f (en Hz)
10 000 11 000 12 000 13 000 14 000 15 000 16 000 17 000 18 000 19 000 20 000
L (en dB)
70,5
70
68
72
70
64
57
48
40
0
0
Exemple de courbe de réponse :
L (en dB)
Courbe de réponse du haut-parleur
120
100
80
60
40
20
f (Hz)
0
20
200
2000
20000
Q7. & Q8. Bande passante du haut-parleur.
Comment déterminer la bande passante à 90 dB d’un haut-parleur :
 Lire la valeur maximale du niveau d’intensité acoustique (en dB) ;
Lmax = 99 dB
 Placer sur l’axe du niveau d’intensité acoustique (axe des ordonnées) le point d’ordonnée L = 90 dB ;
 Tracer la droite parallèle à l’axe des abscisses passant par ce point ;
 Repérer sur la courbe, le ou les points qui correspondent aux intersections de cette droite et de la courbe de
réponse du haut-parleur ;
 Estimer la ou les fréquences des points d’intersections ( les limites de la bande passante pour le haut-parleur
utilisé ;
fmin = ................
fmax = ................
 L’intervalle [fmin ; fmax] définit la bande passante du haut-parleur correspondant à la meilleure utilisation possible.
Q9. Le haut-parleur étudié est un médium.
Q10. Si la distance augmente, le niveau d’intensité sonore est moins important.
Q11. La courbe de réponse serait différente donc la bande passante d’un haut-parleur dépend du niveau d’intensité
sonore de référence choisi ainsi que de la distance entre le haut-parleur et le sonomètre. Une unique valeur de
niveau d’intensité sonore de référence ne suffit donc pas à rendre compte de la bande passante d’un haut-parleur.
4. Conclusion
La tension aux bornes du haut-parleur met en mouvement une bobine parcourue par un courant. Une membrane
solidaire de la bobine bouge à son tour ce qui permet de créer des vibrations sonores de même fréquence que celle
de la tension et dont l’amplitude varie comme celle de la tension. L’énergie électrique est transformée en énergie
mécanique.
La bande passante d’un haut-parleur dépend du diamètre de sa membrane : plus elle est grande et plus les
fréquences encadrant sa bande passante sont basses donc la longueur d’onde des sons qu’il peut produire est élevée
( 
c
). Ainsi, les haut-parleurs de diamètre élevé sont plus performants dans les basses fréquences (sons
f
graves).
Autres mesures :
Tableau des mesures du TP sur le haut-parleur :
f (Hz) : l (en dB)
40 : 60
100 : 74
500 : 94
2000 : 104
3000 : 100
4000 : 98
5000 : 98
6000 : 92
7000 : 82
8000 : 80
9000 : 78
10000 : 72
11000 : 70
12000 : 70
13000 : 68
14000 : 66
15000 : 58
16000 : 54
17000 : 48
18000 : 42
19000 : 0
20000 : 0
FICHE TP N°8 – Le haut-parleur
Type d’activité : Activité expérimentale
Durée : 2 h
Conditions de mise en œuvre : manipulation en binômes.
Pré- requis :
DOMAINE D’ETUDE
Émetteurs et récepteurs sonores
MOTS-CLES
Microphone ; enceintes acoustiques
Compétences transversales :
Matériel (par table) :
-
-
1 G.B.F. ;
1 haut-parleur (boomer ou medium ou tweeter) ;
Une bobine avec support (potence) ;
1 aimant droit ;
1 sonomètre + support (facultatif) ;
1 voltmètre ;
4 fils de connexion ;
1 règle graduée (facultatif) ;
1 interrupteur (facultatif) ;
1ordinateur avec tableur-grapheur.
Bureau professeur :
-
1 stroboscope ;
1 G.B.F. ;
1 haut-parleur (boomer ou medium ou tweeter) ;
Feuilles de papier semi-logarithmique ;
Montage force de Laplace mais avec un GTBF ;
Montage force de Laplace :
(générateur + rail + aimant en U)
Restitution d’un son par un haut-parleur (expérience professeur)
Sources de l’activité
Activité n°1 p71 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection DULAURANS DURUPTHY)
Activité n°1 p76 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection DULAURANS DURUPTHY)
Activité n°3 p79 (HACHETTE TS Ens. Spécialité, Collection DULAURANS DURUPTHY)
Activité n°1 p98 (BELIN Term S Spécialité)
Activité n°3 p29 (BELIN Term S Spécialité)
http://www.rumoh.eu/en/tweeter/2888-27tbcgtv.html
http://www.europe-audio.com/Product.asp?Product_ID=11394