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CA 02521785 2005-10-06
WO 2004/095882 PCT/FR2004/000642
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Membranes p~ur haut-parleur d'enceinte
ac~ustique haute fidélité, multic~uches,
mcaltirnaf;~ria~a~~.
Secteur technique de l'invention
La présente invention concerne le secteur technique des reproducteurs
sonores utilisant une membrane émissive.
II s'agit plus précisément d'enceintes acoustiques haute fidélité et plus
particulièrement de leurs haut-parleurs, et encore plus prëcisément une
~ o membrane pour un tel haut-parleur.
Art antérieur
La membrane d'un transducteur assure le couplage mécanique entre une
bobine mobile, placée dans un entrefer et parcourue par un courant modulé,
1 s et les molécules d'air pour assurer une reproduction sonore. Hormis sa
géométrie, trois critères régissent les qualités d'une membrane au plan
mécanique : son poids, sa rigidité en flexion et son amortissement.
La membrane est réalisée usuellement dans une structure mono corps dans
un matériau offrant un bon compromis sur les trois critères précédents.
2o Résultat : pour un woofer médium par exemple de 16,5 cm il est impossible
d'avoir la rigidité voulue pour une reproduction idéale du grave tout en
maîtrisant l'amortissement pour une reproduction correcte de la zone médium.
Une solution mono structurale ne permet pas une optimisation individuelle
des critères.
2s Une amélioration importante a été réalise par le brevet déposé par le
demandeur sous le numéro FR 95 03092 , grâce à une membrane sandwich
en mousse thermoformée recouverte d'un voile de verre sur ses deux faces.
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Problème techrüque posé
Les progrès apportés par la qualité des sources numériques et des
amplifications (tant en création musicale qu'en reproduction), avec des bandes
de fréquences de plus en plus étendues de 20 Hz à 40 I~Hz imposent de
nouveaux défis aux transducteurs.
- Rigidité pour les haut-parleurs de grave de plus en plus sollicités par des
niveaux d'énergie allant croissant.
- Des masses de plus en plus réduites pour procurer des facteurs
d'accélération adaptées à la reproduction des transitoires que de telles
1 o réponsés en fréquence engendrent.
- Amortissement contrôlé pour s'affranchir des « colorations » sonores
propres au matériau de la membrane, colorations d'autant plus marquées que
la rigidité croît.
La problématique est que ces paramètres sont liés et antagonistes.
15 Face aux nouveaux formats de l'audio numériques , par exemple 24 bits /
96kHz, Dolby Digital, SACD, DVD Audio ...il est stratégique d'apporter aux
transducteurs électrodynamiques des améliorations pour que le saut qualitatif
apporté par ces formats soit en final perceptible.
Un constat s'impose, les membranes mono structurales ne permettent plus
2o d'évoluer, leurs qualités étant liées au matériau utilisé. II est réaliste
de dire
que toutes les possibilités ont été balayées au cours des cinquante dernières
années. Les matériaux composites simple couche présentent les mêmes
limites.
II existe donc un besoin important et reconnu pour une membrane qui serait
2s encore améliorée par rapport aux membranes décrites dans le brevet FR
précité, tout en restant à un coût de fabrication compatible avec les
exigences
du marché.
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Résumé de l'invéntion
Elle fiait appel à une structure composite multicouche et multi matériaux. La
structure prime sur le matériau en matière de rigidifié. La solution proposée
procure une rigidité en flexion près de 20 fois supérieure aux solutions
classiques pour un cône de masse surfacique identique ( 6354 N/mm pour La
présente invention contre 366N/mm pour la pulpe de cellulose, 313 N/mm
pour le KevIarTM imprégné, 77 N/mm pour l'aluminium et 42 N/mm pour le
polypropylène).
Par rapport au brevet FR précité, on obtient sensiblement les mêmes
1 o résultats en terme de rigidité, mais on apporte une différence importante
qui
repose sur le process où l'on maîtrise le taux de résine et le cycle de
polymérisation. Au final on obtient une plus grande stabilité des
caractéristiques.
Le choix des matériaux, en particulier pour l'âme de la structure, autorise un
ajustement fin de l'amortissement.
Les couches internes et/ou externes, par le matériau utilisé, le nombre de
couches, autorisent un ajustement fin de la masse de la rigidité et de la
vitesse de propagation du son dans la membrane.
2o Comme indiqué ci-dessus, ceci conduit à une multitude de paramètres dont
certains antagonistes.
Le Demandeur est cependant parvenu à mettre au point des membranes
multicouches, multi-matériaux, de coût raisonnable et de caractéristiques très
améliorées.
L'avantage unique de la technologie ainsi développée est de pouvoir régler
mécaniquement la réponse d'un transducteur en ajustant à la source les
caractéristiques de la membrane.
On évite ainsi le recours, selon l'art antérieur, à une correction a
posteriori par
filtrage électrique qui pose des problèmes de phase et altère la restitution
sonore.
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Description détaillée de l'invention
La figure 1 A représente une membrane 1 selon l'invention, et la figure 1 ~
une vue en coupe du détail des couches ou « plis =a et de l'âme de cette
membrane. La figure 2 est évidemment donnée â titre non limitatif.
s Les figures ~ â 9 (chacune A (sensibilité), ~ (réponse impulsionnelle) et ~
(structure schématïque et nomenclature)) représentent des structures non
limitatives et leurs courbes de propriétés relatives aux exemples non
limitatifs donnés ci-dessous .
L'invention concerne donc une membrane 1 pour haut-parleur caractérisée en
1 o ce que
- elle comporte une âme 2 constituée de mousse structurale tranchée
très précisément et thermoformée au profil géométrique voulu pour la
membrane
- dont la face externe 4 est recouverte d'au moins un, de préférence
15 plusieurs, « plis externes» 5 de fibres tissées ou non tissëes imprégnés de
résine, formant un stratifié ou « peau externe » 6.
- la face interne 7 est recouverte ou non de un ou plusieurs « plis
internes» 8 de fibres tissëes ou non tissées imprégnés de résine, formant un
stratifié ou « peau interne » 9.
2o La composition du stratifié t< externe >_ , notamment le nombre et la
nature
des plis « externes », est variable selon les caractéristiques recherchées.
La présence de la peau interne et sa composition, notamment le nombre
des « plis internes», est variable selon les caractéristiques recherchées.
A titre d'exemples non limïtatifs, les fibres tissées ou non tissées formant
les
25 plis internes et externes seront choisies parmi
- les fibres de verre
- les fibres de carbone, fibres de polyéthylène, aramides et para
aramides (DyneemaT"', Spectral"", KevIarT'~, VectranTM...)
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La mousse constitutive de l'âme de type « structurale » est choisie parmi les
suivantes
- mousse de Plexiglas T"' à cellules fermées de densité entre 30 et 100
5 kg/m3, typiquement 50 kg / m3
- mousse de PVC (chlorure de polyvinyle) à cellules fiermées de
densité entre 50 kg et 200 kg l m3
- mousse de polystyrène à cellules fermées de densité entre 15 kg et
40 kg /m3
La résine d'imprégnation est choisie parmi les suivantes
- résines de type thermodurcissables : epoxy, polyester, vinylester et
phénolique
- résines thermoplastiques : polyamide, polypropylène
L'homme de métier saura sélectionner les matériaux ci-dessus en fonction
des propriétés recherchées, en se référant aux figures annexëes et
éventuellement à l'aide d'essais simples.
II est à noter que l'on peut utiliser des fibres dififérentes, et des résines
2o d'imprégnation différentes, ou au contraire identiques, pour fabriquer les
plis,
toutes les combinaisons étant possibles selon les propriétés recherchées.
On peut également employer une combinaison de fibres et de résine pour
les plis internes, et une autre combinaison pour les plis externes, ou bien la
même combinaison.
Pour des raisons industrielles, on préfèrera employer la même combinaison.
Ge matériau sandwich est polymérisé soit par compression entre moule et
contre moule, soit en moulage sous vide, à température adéquate pour
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permettre la polymérisation de la résine et ainsi obtenir une structure
mécaniquement homogène. L'invention concerne également ce procédé.
E~ernplee de réalisati~n
La méthode actuelle permet la réalisation de membrane pour des
transducteurs de grave et de médium dont les diamètres vont de 46 cm à 10
cm.
Un échantillonnage de courbes de réponse en fréquence et impulsionnelle a
été établi pour six variantes de membranes de diamètre identique pour haut
1 o parleur de 165 mm.
Les épaisseurs des plis internes et externes sont déclinées par tranchage de
la matière en diverses épaisseurs allant de 1,5 mm à 4 mm.
Les réalisations suivantes ont été effectuées ; les courbes de sensibilité de
chaque structure (figures X « A ») et de réponse impulsionnelle (figures X
« B » ) sont représentées sur les figures indiquées en regard ; les structures
exemplifiées sont représentées schématiquement sur les figures X « C »,
' les plis ou peaux étant écartés de l'âme uniquement pour la clarté du
dessin.
2o CWM-L ou CWM-2P / M 1,5 figure 2C, 9C
1 pli de verre interne,
âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm
1 pli externe en verre
(figures 2 ,A et 2 B et 9A et 9B)
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CWM ou CWM-3P/M1,5 figure 3C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm
2 plis de verre internes
(figures 3 A et 3 B)
CWS-1 Pl M2 figure 4C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 2 mm
(figures 4 A et 4 B)
CWS-1 P/ M3 figure 5C, 7C
1 pli de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 3 mm
(figures 5 A et 5 B)
CWS-2P/M1,5 figure 6C, 8C
2 plis de verre externe
âme en mousse d'épaisseur 1,5 mm
(figures 6A et 6B et i3A et ~B)
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Ces figures montrent (comportement comparé de variantes des membranes
sur une base commune de haut-parleurs de 6 " 1 /2 -16,25 cm ) que
1 Influence du nombre de plis sur une structure sandwich à épaisseur
d'âme constante : la rigidité est accrue en augmentant le nombre de plis (3
plis CWM - 3P I M 1,5 Figures 3A /3B contre 2 plis CWM-2P I M 1,5
figures 2A / 2B). La réponse en amplitude est linéarisée dans la bande 100
-1000 h~, l'impulsion est mieux reproduite et l'amortissement est similaire.
2 Influence de l'é!paisseur de l'âme sur une structure sandwich : la
structure CWS - 1 P l M3 (figures 5A / 5B) possède une âme une fois et
1 o demi plus épaisse que la structure CWS-1 P / M2 (figures 4A / 4B) : sa
rigidité est accrue et l'amortissement est amélioré. On notera que la masse
est peu affectée car l'efficacité du transducteur reste identique. Cette
solution
. est particulièrement bien adaptée pour un fonctionnement « en piston » dans
le grave.
3 Influence comparée du nombre de plis sur la peau externe et de
l'épaisseur de l'âme sur une structure sans peau interne
La rigidité est similaire, l'âme plus mince ( CWS - 2P1M1,5 figures 6A / 6 B)
recouverte de deux plis externes présente une meilleure ïmpulsion, par
contre la structure CWS-1 P/M3 (figures 7A / 7B) présente un amortissement
2o supérieur, avec une âme plus épaisse.
4 Structure sandwich comparée à une structure sans peau interne, à
~aisseur d'âme identique
On compare une structure sandwich CWM - 2P / M1,5 (figures 9A/9B) à
une structure sans peau ïnterne, à épaisseur d'âme identique, CWS - 2P /
M1,5 (figures 8A / 8B).
Cette dernière, sans peau interne, offre une impulsion et un amortissement
mieux maîtrisés. C'est un choix particulièrement adapté pour le médium.
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Le meilleur modè de réalisation à ce jour, et la version la plus commune pour
un HP médium, est constitué d'une âme de 1,5 mm d'épaisseur avec une
peau externe de 100 microns réalise à partir de deux plis de verre de 50
microns.
Pour un woofer de 3~ cm l'épaisseur de l'àme est de 3 mm avec une peau
interne de 3 plis de 50 microns et une peau externe de deux plis de 50
microns.
L'invention couvre encore les haut-parleurs pour enceintes acoustiques,
comportant une membrane selon l'invention.
1 o L'invention couvre également les enceintes acoustiques munies d'au
moins un haut parleur comportant une membrane selon l'invention.
L'invention couvre enfin toutes les applications de ces membranes, haut-
parleurs et enceintes acoustiques, pour la reproduction de sons, notamment
en haute ou très haute fidélité, pour tous usages privés, dans des salles de
15 spectacle, de conférence, de concert, les automobiles et autres véhicules
de
transport terrestre, les engins de transport maritime ou aérien, et analogues.
L'invention couvre également tous les modes de réalisation et toutes. les
applications qui seront directement accessibles à l'homme de métier à la
lecture de la présente demande, de ses connaissances propres, et
2o éventuellement d'essaïs simples de routine.
