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Spécial “ Electroacoustique ”
Acoustique
&
Techniques n° 52
Haut-parleurs électrodynamiques : défauts des moteurs classiques, performances des moteurs sans fer
Les sources de défauts des haut-parleurs
électrodynamiques classiques
Le moteur
Structure classique
La structure du haut-parleur électrodynamique classique
à aimant ferrite est illustrée sur la figure 1. Le moteur
est constitué d’un aimant permanent annulaire, aimanté
axialement, de pièces polaires et de plaques de champ en
fer, d’une bobine de fil de cuivre ou d’aluminium, portée par
un support mobile solidaire du cône émissif. La bobine est
plongée dans l’entrefer du circuit magnétique constitué par
l’aimant et le fer. Nous présentons une structure à bobine
longue : un tiers seulement de sa longueur est effectivement
dans l’entrefer, en face des plaques de champ.
La loi de Laplace est souvent utilisée pour expliquer en
première approximation le fonctionnement du moteur. Elle lie
la force, F, exercée sur la bobine, à l’induction magnétique
créée par l’aimant et au courant, i, circulant dans la bobine.
Elle s’écrit : F = Bli où B est la valeur moyenne de l’induction
dans la bobine, et l est la longueur du fil de cuivre soumis
au champ magnétique.
Elle signifie que lorsque la bobine est parcourue par un
courant, la partie plongée dans le champ magnétique est
soumise à une force qui fait se déplacer la bobine. Comme
la bobine est solidaire du cône, ce dernier se déplace aussi
et crée une onde acoustique. Il y a donc transformation d’un
signal électrique en un signal sonore. Le haut-parleur est
d’autant meilleur que la transformation est linéaire.
Dans l’approche électroacoustique classique, si on considère
que le courant, i, varie sinusoïdalement dans le temps à la
fréquence f, au-dessus de la fréquence de résonance, le
déplacement x de la bobine est proportionnel à la force de
Laplace et de direction opposée. Le déplacement peut être
décrit au premier ordre par : x = - (Bli)/m(2
π
f)
2
, où m est
la masse de la partie mobile (modèle de Thiele et Small).
La véritable explication du fonctionnement du haut-parleur
est toutefois un peu plus compliquée. En effet, il ne faut
pas oublier que la force exercée sur la bobine est en
fait due à l’interaction de deux champs magnétiques :
le champ créé par l’aimant permanent et le champ créé
par la bobine elle-même, quand elle est alimentée. La
force devrait donc être calculée à partir de l’énergie
emmagasinée dans l’entrefer [4].
Les aimants permanents,
sources statiques de champ magnétique
L’aimant permanent est une pièce fixe du moteur qui crée
un champ magnétique indépendant du temps. Les aimants
les plus fréquemment utilisés sont des ferrites durs, ferrites
de baryum ou ferrites de strontium. Leur principal intérêt
est leur faible coût. Leurs performances, quant à elles,
sont modestes, avec une aimantation rémanente, B
r
, de
l’ordre de 0,4 teslas (T), une énergie spécifique, BH
max
, de
30 kJ/m
3
et un champ coercitif, H
c
, de 200 à 300 kA/m.
Rappelons ici que B
r
est un indicateur du champ magnétique
maximum que l’aimant pourra créer dans un circuit, que
BH
max
correspond à l’énergie emmagasinée dans l’aimant (et
qu’il pourra restituer), permettant de quantifier la «puissance
de l’aimant», et que H
c
est le champ magnétique auquel il
faut soumettre un aimant pour le désaimanter.
La nature des aimants choisis influe sur la forme du moteur.
Ainsi, les premiers haut-parleurs utilisaient des aimants
Alnico, qui ont un grand B
r
(0,8 à 1,3 T), un BH
max
de l’ordre
de 50 kJ/m
3
, mais un H
c
faible (50 à 160 kA/m) qui imposait
de les utiliser sous forme de barreaux allongés situés
axialement au centre du moteur, et qui conduisait à des
haut-parleurs de hauteur assez importante. Cet inconvénient
et le prix très élevé des Alnico ont conduit à leur abandon
au profit des ferrites, dans les années 60.
Ces derniers étant plus difficiles à désaimanter ont permis
une utilisation sous forme d’anneaux de section à peu près
carrée, donnant jour à la structure classique présentée
ici. Le dispositif est ainsi plus compact en hauteur, qualité
appréciée pour les haut-parleurs de voiture.
La figure 2 montre où passe le flux magnétique créé par
les aimants permanents dans la structure. L’espacement
des lignes est une image de l’intensité du champ. Le
Fig.1 : Structure classique de haut-parleur électrodynamique
Fig. 2 : Lignes de champ créées par l’aimant dans le moteur