Excursion d’un haut-parleur : comment ça marche ?

Dans cet article nous allons parler de l’excursion d’un haut-parleur électrodynamique classique tel que nous le rencontrons le plus souvent.

Pour parler d’excursion, il faut se rappeler comment est fait un haut-parleur et comment il fonctionne. On va donc commencer par ça ! Ensuite nous aborderons les différentes notion d’excursion maximale.

Cet article fait suite à une vidéo sur la chaine Youtube JustDiyIt. Il est destiné à ceux qui préfèreront une version écrite. Mais pour ceux qui découvrent la vidéo via cet article vous y trouverez notamment d’autres illustrations : 

 

Structure d’un haut-parleur

Un haut-parleur est constitué d’une bobine qui est un fil de cuivre émaillé enroulé en spires autour d’un support. 

Ce support est solidaire d’une membrane généralement en forme de cône. 

Cet ensemble bobine/support/membrane constitue l’équipage mobile du haut-parleur. Le poids de cet équipage mobile est donné sous l’appellation Mms sur les fiches techniques des haut-parleurs. 

 

Vous trouvez ensuite un équipage magnétique constitué généralement d’un (ou plusieurs) aimant en forme d’anneau. L’aimant est pris en sandwich par des plaques de champ (ou pièce polaire) associées à un noyau central. C’est le moteur du haut-parleur. 

 

Le moteur est fixé solidement sur un châssis que l’on appelle également saladier. 

Concernant l’équipage mobile il est relié au châssis par un système de suspensions .

Tout d’abord le spider placé au plus près de la bobine et qui centre le support de la bobine

Ensuite on trouvera la suspension périphérique de la membrane.

Fonctionnement d’un haut-parleur

Circuit magnétique

Le moteur est donc composé d’un aimant permanent qui à une polarité fixe.

La plaque de champ arrière se prolonge par une pièce polaire (le noyau) qui va se placer au centre de la plaque de champ avant qui est percée en son centre. Ceci va permettre de concentrer le champ magnétique de l’aimant permanent dans un espace appelé entrefer. 

La bobine mobile est placée dans cet entrefer et lorsqu’on applique un courant au bornes d’une bobine elle aussi crée un champ magnétique. Elle devient un électro-aimant.

On a tous joué quand on était enfant, ou même de grands enfants, avec des aimants. Et on a donc tous pu expérimenter la force du champ magnétique avec ces aimants permanents à polarité fixe !

Si vous prenez deux aimants : dans un sens ils s’attirent et dans un autre ils se repoussent ! 

Dans un haut-parleur on a donc un aimant permanent à polarité fixe (le moteur) et un électro-aimant (la bobine) alimenté par un signal électrique (un ampli). 

La particularité de l’électro-aimant est que sa polarité va dépendre de si on applique une tension positive ou négative et la force magnétique va dépendre de la tension électrique appliquée, plus elle sera élevée plus la force magnétique sera élevée.

Qu’est-ce qui se passe dans notre haut-parleur ? Tension positive : l’équipage mobile avance, Tension négative l’équipage mobile recule.

Faire du son

Le signal audio appliqué aux bornes de la bobine d’un haut-parleur est dit alternatif. Pour simplifier on peut se le représenter avec une sinusoïde. 

Avec un signal sinusoïdal on passe alternativement du positif au négatif de manière périodique. 

Un signal sinusoïdal fait donc vibrer l’équipage mobile et donc la membrane qui elle-même fait vibrer l’air pour émettre du son.

Bon s’il n’y avait pas de suspension au moindre signal électrique dans la bobine l’équipage mobile serait expulsé de l’entrefer…terminé.

 Ces suspensions permettent non seulement que la bobine reste centrée dans l’entrefer et que le mouvement soit axial mais elles exercent également une force de rappel de l’équipage mobile afin de le ramener dans l’entrefer à la position de repos (qui crée une force contre-électromotrice). 

NB : un micro c’est le même principe mais dans le sens inverse le son fait vibrer la membrane qui fait bouger la bobine dans l’entrefer générant un courant électrique.

Vous l’aurez compris, pour faire varier le son on va faire varier la fréquence du signal alternatif. Plus la fréquence est élevée, plus les mouvements sont rapides.

Avec une fréquence élevée on obtient un son aigu. Avec une fréquence basse on obtient un son grave. 

Et pour faire varier l’intensité du signal sonore, c’est-à-dire la pression acoustique émise par le haut-parleur, on va faire varier la tension du signal électrique appliqué à ces bornes.

Modulation d’intensité et de fréquence: on a de la musique ! 

Sensibilité 

Un haut-parleur transforme donc une énergie électrique en une énergie mécanique pour faire vibrer l’air et émettre du son. 

Comme tout système, il possède un certain rendement, qui sera exprimé en pourcentage. Par abus de langage on confond souvent le rendement avec la sensibilité du haut-parleur qu’on exprimera généralement par une valeur en décibel pour une tension donnée et à une distance donnée.

Par exemple : 85db/2.83v/1m.

NB : La plupart de nos amplis fonctionnent à tension constante sur toute la plage de fréquence. Les haut-parleurs quant à eux ont généralement une impédance qui varie en fonction de la fréquence. 

Loi d’ohm étendue oblige : l’intensité et donc la puissance qui est le produit de l’intensité par la tension vont varier selon l’impédance du haut-parleur et donc selon la fréquence. Donner une sensibilité en fonction d’une puissance comme par exemple 85db/1w/1m me paraît donc un peu délicat. En effet à tension égale la puissance délivrée par l’ampli sera directement dépendante de l’impédance du haut-parleur.

Puissance admissible

Dans la fiche technique d’un haut-parleur vous trouverez généralement des valeurs de puissance admissible, exprimée en Watts. 

Ces valeurs sont données selon différentes normes, avec un signal donné, selon un temps donné. Il faut bien lire la fiche technique. 

Mais ces valeurs sont ce que peut supporter le haut-parleur (et surtout sa bobine) sur le plan électrique.

NB : le rendement d’un haut-parleur pour transformer une énergie électrique en une énergie mécanique étant généralement faible, le reste de l’énergie consommée est dissipée en chaleur par effet joule.  C’est pourquoi les haut-parleurs de forte puissance ont des systèmes de ventilation et dissipation thermique afin de baisser la compression thermique. 

Cette limite électrique n’est néanmoins pas forcément vraie sur la plan mécanique, en particulier dans le grave !

En effet plus on voudra émettre des sons graves, c’est-à-dire avec une fréquence basse et une longueur d’onde élevée, et plus on voudra le faire avec un fort niveau sonore, plus le haut-parleur devra avoir une excursion élevée. 

Et cette excursion va avoir des limites mécaniques de part la conception du haut-parleur dont nous avons parlé jusqu’à maintenant. Ceci n’aura donc parfois rien à voir avec la puissance admissible du haut-parleur. 

L’excursion maximale d’un haut-parleur

La limite mécanique

La limite mécanique est la plus simple à comprendre.  

Lorsque le support bobine tape la plaque de champ arrière : on dit que le haut-parleur talonne on s’expose à une casse.

De même si on a utilisé la totalité de l’élasticité de la suspension, elle ne pourra plus se déformer, et on risque soit de la déchirer, soit de déformer la membrane sur qui repose les forces. Là encore on peut abimer le haut-parleur. 

Dans certains cas si la bobine et son support sortent complètement de l’entrefer on peut avoir un décentrage. Le moindre frottement dans l’entrefer va endommager cette bobine et/ou son support. 

Généralement cette excursion limite avant de faire des dégâts est ce qu’on va appeler le Xdamage, Xlimit, ou encore Xmech. Si vous dépassez cette valeur vous abimez le haut-parleur !

Les limites fonctionnelles 

On peut ensuite définir des limites fonctionnelles, c’est-à-dire la plage d’utilisation optimale.

Pour que le haut-parleur fonctionne correctement il faut que la bobine soit placée dans le champ magnétique du moteur, sinon on ne contrôle plus rien avec la consigne électrique.  On peut considérer que c’est le cas tant que la bobine est en face de la plaque de champ. 

Généralement on va pouvoir calculer l’excursion possible de manière théorique avec les données suivantes :

Hauteur ou longueur de la bobine : Hc (Height of Coil) ou Voice Coil Length

Hauteur de la plaque de champ/ entrefer : Hg (Height of gap)

C’est ce qu’on appelle généralement le Xmax = (Hauteur de la bobine – Hauteur de l’entrefer)/2

Attention : certains utilisent des formules plus compliquées pour ajouter un peu et faire gonfler la valeur, pour le savoir vérifiez bien sur les fiches techniques des fabricants. Est-ce que cela est pertinent ? Je ne sais pas… vous comprendrez pourquoi après.  

Attention également au point de référence : La plupart des fabricants parlent de la distance entre la position de repos et la position maximale, les simulateurs de charge comme Winsid également. C’est généralement noté avec un +/- avant la valeur. 

Mais d’autres n’ont pas la même référence pour ce X et prennent la distance entre les deux positions extrêmes de l’excursion, c’est alors noté “p-p”. Généralement cette valeur est le double de la valeur précédente.

Exemple pour le même haut-parleur : Xmax = +/- 8mm ou Xmax = 16mm (p-p)

Il faut y faire attention dans les simulateurs de charge ou quand on cherche à comparer deux haut-parleurs. 

Excursion linéaire 

Ce xmax calculé c’est bien mais selon la conception du haut-parleur ce calcul est très théorique et sera plus ou moins juste. Si la suspension est mal calibrée ce calcul peut être faux. Au contraire, si le moteur est bien évolué et bien conçu, on peut aller un peu plus loin dans de bonnes conditions. 

On pourrait donc avoir une valeur de Xmax réelle différente du Xmax calculé théoriquement.

Vous pourrez alors trouver une valeur notée Xvar ou Xmax linéaire qui correspond à l’excursion maximale pour laquelle les caractéristiques du haut-parleur varient peu. 

Certains se basent sur le taux de distorsion mesuré, généralement on admet que l’excursion est maximale quand on atteint 10% de distorsion…. c’est discutable, à peu près accessible à mesurer, mais discutable.

Personnellement je préfère les mesures réalisées sur un banc Klippel par exemple. Par contre ça…c’est pas très accessible. Ce système coûte cher !

Les mesures sur banc Klippel

Avec ce genre de matériel on peut réaliser différentes mesures sur signaux larges. Ils vont permettre une bonne analyse du comportement du haut-parleur et de ses différents éléments. 

Paramètres vs Excursion

Entre autres on va trouver :

Le Bl(x) qui permet de voir l’évolution de la force magnétique (Bl sur les fiches techniques) sur la bobine en fonction de l’excursion. On peut ainsi déterminer à partir d’un certain pourcentage de perte (82%) l’excursion maximale réelle permise par la conception du moteur et de la bobine sur son support. 

 

On peut également mesurer Le Kms(X) qui est la variation de la raideur de la suspension en fonction de l’excursion. Ou le Cms (X) pour la compliance de cette suspension. Cette fois la limite est fixée à 75%. 

Cela permet de voir si la suspension possède un bon comportement à l’élongation et la plage d’utilisation possible permise par le système de suspension.

La Symétrie

On peut également vérifier la symétrie de ces valeurs par rapport au point de repos. Il y a parfois des surprises avec certains haut-parleurs ! Ici c’est relativement un bon élève pour la symétrie de la suspension.

Il est un peu moins bon pour la symétrie du Bl , même si on a vu pire.

En effet on peut avoir une plage de fonctionnement intéressante mais si elle n’est pas centrée sur le point de repos le comportement ne sera pas symétrique selon si l’excursion est positive ou négative. Et cela génère de la distorsion ! 

En clair on peut avoir différentes valeurs d’excursion selon le paramètre étudié. Tout est bien documenté dans les notes d’application Klippel, accessibles à tout le monde sur leur site. 

Voici un exemple de rapport de ces mesures sur un haut-parleur exemple  

 

Si vous souhaitez voire ce genre de mesures, je vous invite à lire l’excellente revue Voice Coil sur le site AudioXpress ou à parcourir le site ou la chaîne Youtube Erin’s audio corner. On peut également le lire sur le forum ASR.

Je remercie d’ailleurs chaleureusement Erin pour l’emploi des images ci dessus. Il est l’un des rares à m’avoir répondu pour l’utilisation des images ! 

Voice coil Magazine : https://audioxpress.com/page/Voice-Coil-Magazine

Erin’s Audio Corner : https://www.erinsaudiocorner.com/ 

J’espère qu’il vous a plu et que j’aurai pu vous éclairer un peu sur ces notions.