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CA 02522519 2005-10-14
WO 2004/095881 PCT/FR2004/000704
Transducteur acoustique en béryllium pur à
radiation directe, à membrane de forme concave,
pour applications audio notamment pour
enceintes acoustiques.
Secteur technique de l'invention :
La présente invention concerne le secteur technique des enceintes
acoustiques et notamment de leur composant de type tweeter . Plus
précisément l'invention concerne un reproducteur sonore à rayonnement
direct, utilisant une membrane émissive à très haute performance, constituant
une source émissive ponctuelle à très large bande passante dans la zone
des fréquences sonores et ultrasonores
Plus précisément, l'invention concerne des haut-parleurs pour enceintes
acoustiques, notamment de type tweeters ou haut-parleurs pour
reproduction des aigus, ou également des haut-parleurs de type
medium , et spécialement pour enceintes acoustiques de très haute
fidélité.
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,
et les molécules d'air pour assurer une reproduction sonore. Trois critères
régissent les qualités d'une membrane de tweeter : son poids, sa rigidité et
son amortissement.
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- La membrane est réalisée usuellement dans un matériau offrant un bon
compromis sur les trois critères précédents. Résultat : pour un tweeter la
rigidité intrinsèque du matériau limite la réponse en fréquence haute.
- 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 KHz
imposent de nouveaux défis aux transducteurs. Rigidité plus élevée pour les
membranes de tweeters pour étendre la réponse en fréquence. Des
l o masses 'de plus en plus réduites pour procurer des facteurs d'accélération
adaptés à la reproduction des transitoires que de telles réponses en
fréquence engendrent. Amortissement contrôlé pour s'affranchir des
colorations sonores propres au matériau de la membrane, colorations
liées à des suroscillations en régime impulsionnel.
- Face aux nouveaux formats de l'audio numériques dont par exemple 24
bits/96kHz, Dolby TMDigital, SACDTM, DVDTM Audio il est stratégique
d'apporter aux transducteurs électrodynamiques des améliorations pour que
le saut qualitatif apporté par ces formats soit en final perceptible à la
reproduction par l'enceinte.
- Un constat s'impose, les membranes de tweeters réalisées avec des
matériaux conventionnels ne permettent plus d'évoluer. Les métaux de coût
abordable, tels que l'aluminium et le titane, offrant des rapports poids
rigidité
convenables ne permettent pas de dépasser les 25 KHz.
On connaît un certain nombre de matériaux qui, en théorie, pourraient aider
l'homme de métier à réaliser des compromis du type ci-dessus.
Parmi ceux-ci pourraient figurer le béryllium Be, mais l'homme de métier
connaît ses inconvénients rédhibitoires :
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à masse identique le béryllium est près de 7 fois plus rigide que le
titane et l'aluminium, ce qui serait en théorie un avantage pour la
fabrication
d'une membrane de tweeter, mais qui représente aussi un inconvénient pour
ces mêmes membranes car sa rigidité s'oppose bien évidemment à son
formage en feuille mince ;
prix extrêmement élevé ;
absence de métallurgie connue et utilisable industriellement pour ce
métal ; on parvient à ce jour à former des pièces de Be pur au four sur des
durées de l'ordre de 12 h, ce qui ne serait pas acceptable dans l'industrie,
l o même si les autres inconvénients, dont le coût prohibitif et la rareté des
fournisseurs, étaient surmontés ;
la toxicité du béryllium impose un process de fabrication bien
maîtrisé.
Problème technique posé :
Dans le domaine des haut-parleurs pour enceintes acoustiques, notamment
de haut ou très haut de gamme, il est essentiel de réaliser un compromis
nettement supérieur aux solutions actuelles entre les caractéristiques de
poids ou masse, rigidité, amortissement, de la membrane.
On a vu que le Be était un candidat potentiel, mais à ce jour inutilisable
sans
accompagnement par des technologies réduisant d'une part son coût et
permettant son formage en feuille mince malgré sa rigidité très élevée bien
connue, et améliorant d'autre part la technologie même des tweeters .
Résumé de l'invention
L'invention fait appel à un haut-parleur pour enceinte acoustique, notamment
un tweeter , ou encore un medium , de structure originale, qui comporte
une membrane sphérique à rayonnement direct, à face concave par rapport à
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la bobine et sur laquelle, de préférence, est fixée à un certain niveau, par
exemple à mi-hauteur ou sensiblement à mi-hauteur, la bobine mobile afin
d'assurer un couplage mécanique optimal capable de reproduire des
fréquences inférieures à 1 KHz avec un rendement élevé.
Par fixée à un certain niveau, par exemple à mi-hauteur ou sensiblement à
mi-hauteur l'homme de métier comprendra que la bobine est fixée à un
niveau intermédiaire, du type exemplifié sur la Figure 1, que tout homme de
métier saura adapter et optimiser.
L'homme de métier sait qu'un tweeter présente un diamètre inférieur à 50 -
70 mm tandis qu'un haut parleur medium présente généralement un
diamètre de 100 à 200 mm pour une épaisseur de 0,1 à 0,4 mm.
La fréquence de résonance basse du tweeter est ajustable selon les
besoins, par l'emploi éventuel d'une suspension rapportée à compliance
élevée. Pour la limite de réponse en fréquence haute il convient de réduire la
masse de la membrane et d'en augmenter la rigidité.
Avec une membrane en Be pur, fabriquée comme indiqué ci-dessous, la
réponse en fréquence haute peut être étendue à plus de 40 KHz.
Au final, la combinaison de la technologie du dôme concave, de préférence à
suspension rapportée, avec les caractéristiques propres de la membrane en
béryllium pur permet de réaliser une source émissive ponctuelle à
rayonnement direct et faible directivité, ayant une bande passante de plus de
5 octaves de 1 kHz à 40 kHz avec un rendement élevé de plus de 92
dB/1 W/1 m.
3o De plus les performances en amortissement intrinsèque du béryllium offrent
une excellente réponse impulsionnelle sans suroscillations parasites ou
coloration ( ringing ).
L'invention concerne également et emploie un procédé de formage de
feuilles minces de certains métaux ou alliages, notamment le béryllium. Plus
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particulièrement, mais à titre non limitatif, les feuilles ainsi formées sont
utilisables en
dômes de " tweeters " pour les enceintes acoustiques, et " medium ".
Le béryllium est particulièrement préféré, mais on peut aussi envisager selon
5 l'invention des alliages de Be, notamment Be / AI, notamment des alliages 20
- 80 %
Be en poids / 80 - 20 % AI en poids, de préférence 40 - 60 % Be /60 - 40 % AI,
avec
de toutes façons au moins 5 % en poids de Be. Le Be pur sera réservé aux
fabrications très haut de gamme, et les alliages avec l'aluminium au milieu de
gamme.
On peut également employer pour une entrée de gamme l'aluminium ou des
alliages
d'aluminium (notamment les alliages AI / Be décrits ci-dessus pour un milieu
de
gamme).
On peut également employer, éventuellement, le magnésium et ses alliages avec
l'aluminium. Un alliage intéressant est alors, à titre non limitatif,
l'alliage Al 5056
connu de l'homme de métier, qui est un alliage d'aluminium contenant environ
5% de
magnésium.
Ce procédé de formage fait l'objet d'une demande de brevet britannique déposée
le
même jour que la présente demande, au nom de M. Roy Rodriguez, et s'applique
aussi aux autres industries susceptibles d'être intéressées par les propriétés
du
béryllium, ou d'autres métaux, sans disposer des moyens techniques de sa mise
en
forme (spatial, aéronautique, nucléaire, électronique).
Brève description des dessins :
La figure 1A est une représentation schématique d'un haut-parleur selon un
mode de
réalisation de l'invention ;
La figure 1 B est une représentation schématique d'un haut-parleur muni d'un
dôme
"monobloc" selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
La figure 2A est une représentation graphique de la réponse impulsionnelle
dans le
cas d'un dôme en béryllium ;
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5a
La figure 2B est une représentation graphique de la réponse impulsionnelle
dans le
cas d'un dôme en titane ; et
La figure 3 est une représentation graphique des réponses impulsionnelles d'un
dôme de 25mm de diamètre en titane et d'un dôme de 25mm de diamètre en
béryllium.
Description détaillée de l'invention:
L'invention fait appel selon un mode de réalisation non limitatif mais préféré
(figure 1)
à un tweeter 1 de structure originale, qui comporte une membrane 2 sphérique à
rayonnement direct, de forme concave par rapport à la bobine 3.
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Dans l'art antérieur, on employait des membranes sphériques de forme
convexe par rapport à la bobine, c'est-à-dire en dôme au-dessus de la
bobine. Dans la présente invention, la membrane forme une coupe au-
dessus de la bobine.
La fréquence de résonance basse du tweeter est ajustable selon les
besoins, par l'emploi éventuel d'une suspension rapportée à compliance
élevée, c'est-à-dire matériau à grande souplesse genre mousse ou joints
mous en caoutchouc, ou collage restant mou dans le temps.
Une membrane tout-à-fait préférée selon l'invention est en Be pur.
Selon le meilleur mode de réalisation, la membrane en Be pur présente une
épaisseur comprise entre 25 et 500 microns et de préférence inférieure à 30
microns pour un dôme typique de tweeter de 25 mm de diamètre et de
profondeur entre 3 et 6 mm et une bobine de 15 à 20 mm de diamètre.
Pour un médium de 100 mm, on pourrait aller jusqu'à 100 microns
d'épaisseur pour le dôme.
La forme du dôme peut être hémisphérique ou à profil complexe, ovoïde,
bulbeuse ou à pans coupés.
Selon un mode de réalisation particulier, figure 1 A, on utilise une membrane
2 en béryllium pur de 25 microns d'épaisseur au profil demi sphérique
concave par rapport à la bobine 3, optimisé pour repousser le plus haut
possible sa fréquence de résonance propre.
Selon encore un mode de réalisation particulier, la bobine mobile est fixée
entre le sommet du dôme et la périphérie (plan AB) de cette membrane
demi sphérique pour assurer un couplage mécanique idéal.
La position fine de ce plan est ajustée lors de l'étude en fonction des
rapports de masse / diamètre bobine / rigidité du dôme. A souligner,
3o habituellement la bobine est fixée en périphérie du dôme, le couplage
mécanique est alors de loin inférieur à la présente solution (l'homme de
métier
pourra se référer à un schéma bien connu de tweeter conventionnel.)
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On voit que sur un tel tweeter l'action F de la bobine se transmet
intégralement au dôme dans le plan AS.
Selon un mode de réalisation particulier, et préféré, tel que représenté sur
la
figure 1 A, une suspension S à compliance adaptée peut être ajoutée pour
assurer la liaison de la membrane au support avec une fréquence de
résonance suffisamment basse typiquement 1 kHz.
On peut également fabriquer selon l'invention des dômes monobloc tels
que représentés sur la figure 1 B.
L'avantage d'un tel tweeter est de permettre de reproduire une plage de
l o fréquence étendue sur plus de 5 octaves sans avoir recours à une
technologie connue dite de super tweeter qui pose problème car
introduisant un décalage temporel dû à la multiplication des sources
émissives à des fréquences dont la longueur d'onde est de l'ordre du
centimètre, annihilant ainsi la notion de source ponctuelle essentielle dans
la
re-création de l'espace sonore en 3D .
De plus, la nécessité d'un filtrage dans une telle configuration apporte des
distorsions de phase et des pertes de définition du signal.
Comme représenté sur la figure 2, on obtient avec le béryllium une
excellente réponse impulsionnelle, c'est-à-dire très propre avec un
amortissement très bien contrôlé, figure 2A, alors qu'avec le titane (figure
2B)
on enregistre une coloration sonore oscillatoire ( ringing ) qui, même
si
elle n'est pas perçue directement par l'oreille humaine, nuit à la haute
fidélité
de la restitution des sons et au confort de l'écoute.
On a représenté sur la figure 3 les courbes de réponse impulsionnelles
superposées d'un dôme en titane et d'un dôme en béryllium pour un dôme
de tweeter de diamètre 25 mm.
Selon son concept général, l'invention utilise pour fabriquer la membrane de
béryllium un procédé de formage de feuilles minces de métal ; décrit en détail
3o dans la demande de brevet britannique déposée le même jour que à
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présente demande, et au nom de M. Roy Rodriguez, caractérisé en ce que
on déforme ladite feuille par une pression d'un gaz appliquée à température
ambiante ou proche de la température ambiante sur l'une de ses faces, et on
applique par ledit effet de pression la seconde face de ladite feuille
déformée sur une forme reproduisant la géométrie 3D de la pièce à produire,
et on porte ladite forme à température élevée durant le temps nécessaire au
formage sans dégradation physico-chimique de ladite feuille.
L'invention utilise donc également un outil de formage (décrit également dans
ladite demande britannique) de feuilles minces de métal, pour en fabriquer
l o des pièces de géométrie 3D donnée, caractérisé en ce qu'il comporte une
matrice supérieure comportant au moins une buse d'injection de gaz sous
pression, et une forme inférieure (par convention, nous considérerons que
l'outil est horizontal), dont la face supérieure reproduit l'empreinte 3D de
la
pièce à former, et qui comporte un moyen de chauffage de sa masse.
La feuille repose sur les supports latéraux de l'empreinte.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite forme est un outil femelle.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le métal est le béryllium.
C'est celui qui présente à la fois le plus grand intérêt en ce qui concerne
les
dômes de tweeter, ou médium, et les plus grandes difficultés de mise en
forme.
Selon un autre mode, ledit métal est de l'aluminium et ses alliages ou
d'autres
matériaux connus de l'homme de métier, adaptés selon les connaissances
de l'homme de métier à la réalisation d'un dôme de tweeter.
Selon un mode de réalisation particulier, l'épaisseur des feuilles de
béryllium
(ou AI ou alliages d'aluminium, et éventuellement alliages de béryllium,
notamment alliages Be/AI) de départ se situe entre 10 et 500 microns.
Selon encore un mode de réalisation particulier, ladite épaisseur se situe
entre 20 et 100 microns.
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Selon encore un mode de réalisation particulier, ladite épaisseur est de
l'ordre
de 25 à 50 microns.
Le gaz injecté par la ou les buses est choisi parmi l'air, ou l'azote.
De préférence, on emploiera l'azote.
Selon un mode de réalisation particulier, la pression dudit gaz sera comprise
entre 10 et 30 bars pour un diamètre de dôme inférieur à 50 mm.
Selon encore un mode de réalisation particulier, ladite pression sera comprise
entre 15 et 25 bars.
Selon encore un mode de réalisation particulier, ladite pression sera de 20
l o bars environ pour une feuille de béryllium de 25 microns d'épaisseur.
Selon une variante, ladite pression sera de 15 bars pour une feuille
d'aluminium de 25 microns d'épaisseur.
On porte la forme à une température de l'ordre de 100 à 400 C pour des
feuilles d'aluminium ou de magnésium, ou leurs alliages, et de l'ordre de 700
à 1000 C pour une feuille en béryllium, ou ses alliages, dans sa masse, par
exemple au moyen d'un élément chauffant 20 disposé sous ou autour de
ladite forme.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite température est de l'ordre de
900 C pour une feuille de béryllium pur d'épaisseur 25 microns.
Pour les alliages, l'homme de métier sait que la température devra être plus
faible que pour les métaux purs : il saura donc adapter les plages ci-dessus
de température en fonction des alliages qu'il souhaitera employer, et au
besoin à l'aide de quelques essais simples de routine.
La forme de l'outil est constituée de tout matériau adapté à la transmission
de
la température du procédé et à la résistance à la pression appliquée, et ne
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réagissant pas, dans ces conditions de température et de pression, avec le
béryllium. On citera notamment les aciers avec éventuellement traitement de
surface.
Exemples
5 1 En utilisant le procédé et l'outil ci-dessus, on a formé en seulement
deux minutes un dôme de diamètre 25 mm pour tweeter à partir d'une
feuille de béryllium de 25 microns, en employant N2 comme gaz applicateur
de pression et en appliquant sur la feuille, par la forme, une température de
900 C.
10 2 En utilisant le procédé et l'outil ci-dessus, on a formé en seulement
trois minutes un dôme de diamètre 35 mm pour tweeter à partir d'une
feuille de béryllium 60 % / AI 40 % de 30 microns, en employant N2 comme
gaz applicateur de pression et en appliquant sur la feuille, par la forme, une
température de 750 C.
3 En utilisant le procédé et l'outil ci-dessus, on a formé en seulement cinq
minutes 30 ' un dôme de diamètre 120 mm pour medium à partir d'une
feuille de béryllium de 0,1 mm, en employant N2 comme gaz applicateur de
pression et en appliquant sur la feuille, par la forme, une température de 900
C
4 En utilisant le procédé et l'outil ci-dessus, on a formé en seulement 15
secondes un dôme de diamètre 35 mm pour tweeter à partir d'une feuille
d'alliage AI 95 % / Mg 5 % de 38 microns, en employant N2 comme gaz
applicateur de pression et en appliquant sur la feuille, par la forme, une
température de 400 OC.
L'invention concerne également les dômes pour tweeters et médium ainsi
obtenus, de même que les enceintes acoustiques comportant au moins Lui
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haut-parleur tel que décrit ci-dessus et / ou au moins un dôme tel que décrit
ci-
dessus.
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
éventuellement d'essais simples de routine.
