Étude d'un haut-parleur
Fondamental : Étude théorique du haut-parleur
Voir fiche de cours sur le haut-parleur.
Rappel sur l'impédance d'un haut-parleur :
Si l'on ne tient pas compte d'un éventuel effet capacitif, la relation entre la tension
appliquée au haut-parleur et l'intensité
qui le traverse est de la forme :
où
est l'impédance du haut-parleur, égale à :
où
est le champ magnétique et
la longueur du fil dans le haut-parleur.
D'un point de vue électrocinétique, tout se passe comme si, en raison du mouvement dans le champ magnétique, venait s'ajouter une impédance électrique supplémentaire, appelée impédance motionnelle, caractérisant le couplage électromécanique réalisé par le montage.
Cette impédance présente une résonance pour la pulsation
donnée par :
On rappelle que
est la raideur du système oscillant (de la "suspension") et
la masse de la membrane.
Numériquement, la fréquence de résonance :
est de l'ordre de 60 Hz.
Si la fréquence
est comprise dans la gamme
, les vibrations du pavillon engendrent une onde de pression acoustique qui produit un son audible.
Rappel : Principe du haut parleur électrodynamique
Une vidéo de présentation du principe d'un haut-parleur :
Différents haut-parleurs :
En moyenne, l'oreille humaine est capable de percevoir les sons de 20 Hz (son très grave) à 20 kHz (son très aigu).
Il n'est physiquement pas possible pour un même haut-parleur de restituer toute cette plage de fréquence (de 20 Hz à 20 kHz) avec une bonne qualité.
En fait, la taille, le poids et la rigidité de la membrane surtout sont des facteurs déterminants pour les fréquences que sera capable de reproduire le haut-parleur.
Cela explique pourquoi, à part dans un petit nombre de cas où un seul haut-parleur sera suffisant pour reproduire toutes les fréquences (enceintes bas de gamme, ou haut-parleurs avec une technologie spéciale), on se sert de plusieurs haut-parleurs à la fois dans une enceinte: 2, ou 3 en général.
Chacun de ces haut-parleurs ne s'occupera de reproduire qu'une partie des fréquences seulement, et c'est en les regroupant qu'on pourra reproduire de manière correcte toute la gamme de fréquence.
Les haut-parleurs spécialisés dans la reproduction des sons graves (fréquences basses) sont appelés woofer, ou boomer.
Les haut-parleurs spécialisés dans la reproduction des sons mediums (fréquences moyennes) sont appelés mediums.
Les haut-parleurs spécialisés dans la reproduction des sons aigus (fréquences élevées) sont appelés tweeter.
Méthode : Détermination des paramètres du haut-parleur
On veut déterminer expérimentalement
,
,
et m.
Dans toute la suite, on précisera les incertitudes et on donnera les résultats de mesure (pour
par exemple) sous la forme
.
Proposer un protocole expérimental permettant de déterminer l'impédance du haut-parleur (voir courbe expérimentale suivante, tracée en échelle semi-log).
On pourra utiliser une résistance supplémentaire, de l'ordre de quelques dizaines d'ohms, un oscilloscope et/ou des multimètres.
Quelle est la bande passante d'un oscilloscope ? Quelle est celle d'un multimètre ?
En utilisant la courbe expérimentale, déterminer les valeurs de
,
et de
.Pour déterminer les valeurs de
et de
, on va faire varier la masse de la membrane en rajoutant des pièces de monnaie (de 10, 20 et 50 centimes d'euros puis une pièce de 2 euros, dont les masses sont respectivement de 4,16, 5,91, 7,90 et 8,59 g).Quelle est alors la nouvelle pulsation de résonance ?
Quelle courbe tracer pour obtenir une droite expérimentale permettant de déterminer séparément
et
?On caractérise le haut-parleur par la compliance acoustique
des suspensions du haut-parleur (
).
Attention : Quelques questions
La courbe de réponse d'un haut-parleur descend-elle en dessous de sa fréquence de résonance ?
Un bon haut-parleur pour les sons graves doit-il avoir une suspension souple (
"faible") ou rigide (
"élevé") ?Quel défaut présente la courbe de réponse du haut-parleur aux fréquences aiguës ?
Comment pourrait-on faire pour éviter que le haut-parleur ne soit utilisé dans cette zone ?
Un haut-parleur « graves » a une fréquence de résonance entre 30 et 50 Hz, un « médium » vers 150 - 200 Hz et un « tweeter » vers 1000 - 2000 Hz : quelles seront les plages de fréquences reproduites par ces haut-parleurs ?
On pourra s'aider des caractéristiques données dans la fiche technique du haut-parleur Audax HM170G0 (8 Ohms) :
Complément : Vidéo sur une étude expérimentale d'un haut-parleur
Vidéo d'Alain Le Rille (Professeur en CPGE au lycée Janson de Sailly, à Paris) sur l'étude d'un haut-parleur :
Complément : Filtres 3 voies
Pouvez-vous expliquer le câblage suivant que l'on peut trouver dans des voitures ?
