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Spécial “ Electroacoustique ”
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Acoustique
&
Techniques n° 52
Haut-parleurs électrodynamiques : défauts des moteurs classiques, performances des moteurs sans fer
À hautes fréquences, le terme prépondérant de l’impédance
électrique est l’inductance. Considérons que la bobine
est alimentée par une tension sinusoïdale, pour créer un
mouvement sinusoïdal. Pendant le mouvement, comme
la position de la bobine varie, l’inductance varie, donc
l’impédance de la bobine varie et le courant dans la bobine
n’est plus proportionnel à la tension sur une période. Il y
a apparition d’harmoniques de courant et donc de force.
Ce phénomène est d’autant plus sensible pour les haut-
parleurs qui ont une valeur nominale d’inductance élevée
(ce qui correspond entre autres à une bobine ayant
un nombre de spires élevé.) De plus, la tension réelle
alimentant le haut-parleur contenant a priori de nombreuses
fréquences, les termes d’intermodulation deviennent vite
très nombreux, et correspondent en outre à une distorsion
non harmonique.
L’expression de la force totale met l’accent sur l’importance
du modèle de l’inductance. En fonction des valeurs des
paramètres a* et d*, le poids relatif de chaque terme peut
varier beaucoup, et ainsi, la façon dont la force dépend
du déplacement et de la valeur instantanée du courant
(un terme peut devenir prépondérant devant l’autre). On
constate aussi que l’allure de la force peut s’éloigner
beaucoup de l’allure de la force de Laplace. Plus le courant
est grand, ou plus le déplacement est important, et plus la
différence est grande.
L’effet réluctant est prépondérant à basses fréquences. Il
est très nuisible quand des notes basses, qui correspondent
à de grands déplacements, sont superposées à des
attaques, qui correspondent à de grands courants, car
alors les détails du son sont perdus.
Rôle du fer
Nous avons vu que le fer était utilisé pour canaliser le
flux magnétique et guider ce dernier pour qu’il passe
dans l’entrefer du moteur. On exploite ici le fait que le
fer est un matériau ferromagnétique doux, qui a une
perméabilité magnétique relative importante, ce
qui permet aux portions de circuit magnétique
correspondantes d’avoir une réluctance faible.
Le fer joue d’autant mieux son rôle que sa
perméabilité magnétique relative est élevée. Il
faut donc être attentif aux propriétés du matériau
choisi et à leur préservation. En effet, le fer doux
pur n’ayant pas les qualités mécaniques requises
pour un usinage facile, on emploie des aciers
magnétiques, et la teneur en carbone de l’alliage a
une influence sur sa perméabilité. En outre, il faut
prendre garde à la méthode de mise en œuvre
de l’acier. Le matriçage ou l’usinage du matériau,
par les contraintes mécaniques auxquelles ils
le soumettent, peut altérer grandement ses
propriétés magnétiques. Il faut généralement
effectuer un recuit des pièces après formage
afin de libérer les contraintes mécaniques et
préserver les propriétés magnétiques.
Le dessin des pièces en matériau doux doit aussi
être fait de façon que le matériau ne soit pas
saturé magnétiquement, en certains endroits du
circuit magnétique. Car si le matériau est saturé,
sa perméabilité magnétique relative apparente
décroît, la réluctance correspondante augmente
et le matériau ne joue plus son rôle de guide
flux. La saturation correspond à une valeur d’induction de
l’ordre de 1,5 à 2 teslas selon le matériau doux utilisé. Dans
la structure présentée, avec un aimant ferrite, les calculs
montrent qu’il y a des zones de saturation, donc qu’on est
à la limite d’une mauvaise utilisation du fer. Or, s’affranchir
de ces zones passe souvent par une augmentation des
sections de fer et donc un alourdissement de la structure
totale. Notons que l’utilisation d’aimants plus performants,
d’aimantation rémanente trois à quatre fois supérieure,
rendra l’utilisation du matériau doux encore plus délicate,
car on sera toujours très proche de saturer le matériau. La
saturation constitue une limitation du facteur de force.
De plus, si le fer est saturé, le flux propre de la bobine
n’est plus proportionnel au courant, et l’inductance dépend
alors aussi du courant dans la bobine. La non-linéarité en
est encore accrue.
Courants de Foucault
Le «fer» - dans le sens du matériau ferromagnétique doux
choisi pour guider le flux magnétique - a aussi des propriétés
électriques et il est conducteur. La conséquence directe est
que les pièces polaires et les plaques de champ vont être
le siège de courants de Foucault. Les courants de Foucault
ont deux causes : la variation temporelle du courant dans
la bobine et le déplacement de la bobine.
L’une comme l’autre a pour effet de faire varier le flux
magnétique dans le circuit. Entre alors en jeu une loi bien
connue des physiciens, la loi de Lenz, selon laquelle des
phénomènes apparaissent pour s’opposer à la cause qui
leur a donné naissance. Ici, des courants vont apparaître
dans le matériau doux, afin de créer un champ magnétique
supplémentaire qui s’oppose aux variations du champ créé
par la bobine (le renforcer si le champ de la bobine décroît,
le diminuer s’il augmente). Le résultat visible est que le
flux magnétique total diminue et la réluctance du circuit
augmente. L’inductance électrique apparente de la bobine
diminue (Vanderkooy [5] propose de modéliser cela par
Fig. 6 : Force en fonction du temps
Spectre en dB