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LE HAUT-PARLEUR
HISTOIRE ET CONCEPTION
DES
HAUTS PARLEURS
PLAN
1. Quelques rappels historiques.
2. Différents types de hauts-parleurs.
3. Étude détaillée d’un haut-parleur
électrodynamique.
4. Enceinte bass-reflex.
5. Enceinte globale.
1 Rappels historiques.
• 1667 - Robert Hooke (1635 – 1703) réalise un « téléphone » à ficelle.
• 1861 – un professeur allemand Philip Reis réalise un premier
microphone transmettant des sons discontinus.
• 1876 – Graham Bell dépose un brevet concernant les micros de
téléphone.
• 1878 – Edison construit un phonographe à feuille d’étain enroulée sur
un cylindre. Il réalise également un microphone à charbon.
• 1880 – 1890 : perfectionnement des microphones à charbon.
• A partir de 1899, la Berliner Grammophon édite des disques de 17
cm, une face.
• 1920 – Eugène Reisz fabrique des micros à charbon d’excellente
qualité utilisés jusqu’à la guerre de 1939 – 1945.
1 Rappels historiques.
• 1928 – Fritz Pfleumer invente la bande magnétique.
• 1930 – Harry Olson invente le micro à ruban.
• 1936 – la firme allemande AEG présente un premier appareil
d’enregistrement appelé Magnetophon.
• 1939 – Eugen Beyer présente le premier microphone dynamique.
• 1947- Fritz Sennheiser produit son premier microphone dynamique
MD 2.
• 1948 – Premier disque microsillon 33 t/mn.
• 1952 – Stefan Kudelski construit le magnétophone Nagra I
• 1958 – Premiers microsillons stéréophoniques.
• 1962 – G.M. Sessler met au point les premiers micros à électrets.
1 Rappels historiques.
• 1964 – Commercialisation de la Compact Cassette par Philips.
• 1968 – Présentation du Nagra IV-S à transistors, stéréophonique
double piste (avec adaptateur pour bobine de 26 cm).
• 1979 – Philips, Sony et Hitachi présentent le Compact Disc.
• 1983 – Sony annonce la naissance du magnétophone numérique
(DAT) dont la commercialisation aura lieu en 1987.
• 1995/96 – Apparition des premiers graveurs de CD-R grand public
puis des disques CD-RW.
(pour une histoire plus détaillée consulter le site ci-dessous :
http://claude.gendre.9online.fr/index.htm
2 Différents types de haut-parleurs.
2.1. Haut parleur électrodynamique.
• Se surface de l’entrefer
• Si surface de rayonnement interne
• SR surface de rayonnement externe
• Vc volume délimité par le circuit magnétique
• Vi volume de la cavité intermédiaire
Coupe schématique transversale
d’un haut-parleur à bobine mobile.
Schéma simplifié pouvant servir
de modèle pour un schéma électrique
équivalent.
2.2. Haut-parleur à ruban.
Principe de fonctionnement du haut-parleur à ruban
• Beaucoup moins utilisé que les haut-parleurs électrodynamiques.
• Applications dans le domaine des fréquences élevées (2 à 5 kHz).
2.3. Haut-parleur électrostatique.
• Nécessité d’une tension de polarisation.
• Difficulté d’obtention d’un déplacement
linéaire aux grandes amplitudes.
Schéma de principe.
2.4. Haut-parleur piézoélectrique.
• l’effet piézoélectrique est réversible :
l’application d’une tension sinusoïdale aux bornes
des deux faces métallisées entraîne une vibration.
Céramique piézoélectrique polarisée
afin de vibrer en mode d’épaisseur.
Toutefois, il est impossible d’obtenir des déplacements importants
de sorte que leur fonctionnement est réservé au domaine des hautes
fréquences : 4000 à 400 000 Hz.
2.5. Haut-parleur ionique.
Ionophone de S. Klein
Avantages :
• Très bon rendement (115 dB/W à 1m)
• Bande passante importante (2 kHz < F < 100 kHz)
Difficultés :
• Forte tension HF : 10 kV, 27 MHz, 50 W
• Possibilité de vaporisation de l’électrode centrale à l’allumage
• Émission d’ozone
3. Étude détaillée d’un haut-parleur
électrodynamique.

dS
Dôme
Spider
Diaphragme d
3.1. Haut-parleur monté sur écran infini.
dq  vd cos   dS vd dSd
débit

dSd
vitesse
dS
Si diaphragme rigide alors vd = Cte
q d = Sd . v d
Haut-parleur  piston de surface Sd
3.2. Limites théoriques de la Bande Passante.
En pratique : BP ~ 3 à 6 octaves
3 gammes :
• basses
• moyennes fréquences
• hautes
< 100 ou 200 Hz
quelques  100 à quelques  1000 Hz
> 2000 Hz
Par définition de la bande passante, la pression P doit être indépendante de
la fréquence f.
Puissance rayonnée : Pa  R ar  qd2 eff
Résistance de rayonnement
Pa  Cte or Rar % f2  il faut qd en 1/f  système contrôlé par la masse.
Fréquence basse = fréquence résonance du système mobile.
Pour
ka  2
Rar  Cte
Avec un système contrôlé par la masse, le débit qd est inversement
proportionnel à la fréquence f :
 La pression Pa varie en 1/f2
La fréquence de coupure haute correspond donc à ka 2
c
fd 
 2a
dB
Comportement de la
résistance de rayonnement
Rar
oct
/
B
6d
ave
+
log f
fd
dB
e
Comportement du débit q
v
octa
/
B
+6 d
-6 d
B/o
ct
ave
log f
fs
oc
-6 d
dB
/
B/o
ct
2
ave
+1
Comportement de la puissance
rayonnée P
tav
e
dB
log f
fs
fd
3.3. Schéma équivalent.
3.3.1. Schéma global.
Partie électrique
Partie mécanique
U
Amplificateur
Source de tension Ug
de résistance interne Rg
vd
Partie
acoustique
qd
Req : résistance de pertes (effet Joule bobine, hystérésis,
courants de Foucault
Le : inductance propre bobine
ms : masse du système (diaphragme, bobine, support, etc…
Cms : compliance mécanique (suspension et spider)
Gms : conductance de pertes (frottements internes)
Yar : admittance de rayonnement
3.3.2. Schéma équivalent acoustique.
(on supprime les transfos)
Bl
pg 
Ug
Source de pression (Pa)
Sd R g  R eq  jL e 
R ae 
Bl 2
S R g  R e 
2
d
L eSd2
Cae 
Bl 2
R as 
R ms
Sd2
ms
mas  2
Sd
Rae : résistance acoustique équivalente (a=N.s/m5)
Cae : compliance
acoustique (m3/Pa)
( a )
(kg / m 4 )
Cas  Sd2  Cms (m3 / Pa )
3.3.3. Schéma équivalent électrique.
LS  C ms   Bl 
(H)
CS  mS /( Bl ) 2
(F)
R S  ( Bl ) 2 / R ms
()
2
2
 Bl 
Zer    Zar
 Sd 
()
3.4. Approximations en Basses Fréquences.
Pour f~fS on a
Le 2  R e 2
et 2 Rar < Ras  on néglige Le et Rar
Par ailleurs on a également ka<21/2 et la réactance de rayonnement Xar
correspond à celle d’une masse mr et on introduit une masse totale :
m'as  ms  2mr  / Sd2  ms' / Sd2  mas  2mar
(kg / m4 )
D’où les schémas simplifiés :
ou
qd
avec
pg 
Bl
Ug
Sd R g  R eq 
3.5. Définition des paramètres petits signaux.
Fréquence de résonance du système mobile.
s
1
1
1
fs 



2 2 ms' C ms 2 m 'as Cas 2 Cs' Ls
Volume d’air équivalent.
(Hz)
Vas  c2Cas
Facteur de qualité électrique Qes à fs
avec l’hypothèse d’une source
de tension idéale Rg=0 et un système sans pertes (Rs ou Ras=0)
Qes  s Cs' R e 
1
s Cas R 'ae
Facteur de qualité mécanique.
Q ms
Rs
1
 s C R s 

s Ls s Cas R as
'
s
3.6. Débit du diaphragme.
D’après le schéma précédent, le débit qd en basse fréquence est :
qd 
pg
R ae  R as  jm 'as  ( jCas ) 1
q d  q s G s ( j / s ) /( j / s )
En développant cette formule et en
utilisant les paramètres petits signaux,
on peut trouver :
avec
q s  Sd / Q e ( Bl )U g
et où Gs est la fonction de transfert normalisée en fréquence :
( j / s ) 2
G s ( j / s ) 
( j / s ) 2  Q t 1 ( j / s )  1
3.7. Puissance et pression acoustiques.
La pression acoustique est de la forme :
Pa  Pas G s  j / s 
2
où
Pas  (2 / c)  f s2  qs2
Pour un rayonnement omnidirectionnel dans 2sr, la pression acoustique en
valeur efficace à distance r du haut-parleur est :
~
p  Zc I  Zc Pa / 2r 2  ~
ps G s ( j / s )
Les courbes peuvent alors être tracées :
10  logPa / Pas 
 20  log~
p/~
p
s
 20  log G s ( j / s )
avec ~
psindépendante de la fréquence.
3.8. Comportement en hautes fréquences.
f  fd
alors (Le ) 2  R e2
et m'as  R as  2R ar
p g  ( Bl ) /( jL eSd )U g et m 'as  m as  2(X ar / )
Il existe une résonance série entre Cae et m’as à la fréquence :
 Rg  Re 
1  ( Bl )


f 


'
2
2  L e m asSd  L e 
2
'
s
2 1/ 2



qd
La résonance à fs’ intervient par une « bosse » entre l’asymptote horizontale
de la réponse basse fréquence et celle de la coupure haute fréquence.
4. Enceinte bass-reflex.
Il existe 3 types d’enceintes :
Bass-reflex
4.1. Principe.
Dans les basses fréquences, les facteurs de qualité de Cab et de m’ap
sont plus grands que Qes et Qms du haut-parleur ce qui signifie que
Rae et Ras sont plus grands que Rab et Rap.
 On admet que Rab et Rap sont négligeables.
C’est l’hypothèse d’une enceinte sans pertes.
4.2. Application à un cas concret.
Schéma équivalent
du haut-parleur seul.
Gain 
Bl
6,79

 784,06
4
Sd 86,6 10
Réponse en fréquence simulée.
90
85
80
75
70
65
60
10Hz
B
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
B
Frequency
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Schéma équivalent du haut-parleur dans l’enceinte avec évent.
Simulation en fréquence.
100
80
60
L’évent permet d’abaisser la fréquence basse.
40
20
10Hz
A
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
Frequency
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Schéma équivalent du tweeter.
Courbe de réponse du tweeter.
100
90
80
70
60
50
40
100Hz
B
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
Frequency
10KHz
30KHz
100KHz
120
100
80
60
Importante différence de niveau
40
20
10Hz
Sortie
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
Frequency
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Atténuateur
100
80
60
40
20
10Hz
Sortie
30Hz
100Hz
300Hz
1.0KHz
Frequency
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Mesure expérimentale (sans atténuateur).
Saut ~5dB
Mesure expérimentale (avec atténuateur).
Niveau plus homogène.
BIBLIOGRAPHIE.
Mario ROSSI, Electroacoustique, (Traité d’électricité, Volume XXI,
PPUR – 1986)
Jacques JOUHANEAU, Haut-parleurs, (Techniques de l’ingénieur, E5170)
Maurice DAUMAS, Histoire générale des techniques, Vol.5, p.290-314
http://claude.gendre.9online.fr/index.htm