WO2023148563A1 - Ensemble aimant pour moteur de haut-parleur électrodynamique, moteur de haut-parleur électrodynamique le comprenant, et haut-parleur électrodynamique associé - Google Patents

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WO2023148563A1
WO2023148563A1 PCT/IB2023/050196 IB2023050196W WO2023148563A1 WO 2023148563 A1 WO2023148563 A1 WO 2023148563A1 IB 2023050196 W IB2023050196 W IB 2023050196W WO 2023148563 A1 WO2023148563 A1 WO 2023148563A1
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WO
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magnets
permanent magnet
magnet
electrodynamic loudspeaker
permanent
Prior art date
Application number
PCT/IB2023/050196
Other languages
English (en)
Inventor
Lionel Camberlein
Antonin NOVAK
Pierrick Lotton
Frédéric POLET
Etienne Gaviot
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Du Mans
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite Du Mans filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2023148563A1 publication Critical patent/WO2023148563A1/fr

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/02—Details
    • H04R9/022—Cooling arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2209/00—Details of transducers of the moving-coil, moving-strip, or moving-wire type covered by H04R9/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2209/022—Aspects regarding the stray flux internal or external to the magnetic circuit, e.g. shielding, shape of magnetic circuit, flux compensation coils

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrodynamic loudspeakers, and relates in particular to a magnet assembly for an electrodynamic loudspeaker motor, to an electrodynamic loudspeaker motor comprising said magnet assembly, and to an electrodynamic loudspeaker comprising said engine.
  • a conventional electrodynamic loudspeaker motor comprises an electromagnetic actuator, most often composed of a winding arranged on a movable assembly, within a magnetic field generated by a permanent magnet assembly, the configuration of the permanent magnetic field presenting a symmetry called radial between the north and south poles of the permanent magnet assembly.
  • the winding is traversed by a current modulated in amplitude and frequency, the mechanical displacement induced at audible frequency is transformed into an acoustic field by means of a membrane acting as an emissive surface, also called an acoustic radiator.
  • the sound quality of the electrodynamic loudspeaker depends on the frequency response curve, which must be as invariant as possible over the entire bandwidth (for example, from 16 Hz to 20000 Hz), and the linearity of the system marked by the presence of a minimum of harmonic and intermodulation distortions.
  • the electrodynamic loudspeaker favors all the frequencies equally, the reproduction of the timbre of a musical instrument, constituting the useful harmonics of the sound, seems a priori to be ensured.
  • the reality is more complex given the need to properly reproduce the attack transients of the sounds, representative of the acoustic signature of quality instruments.
  • the loudspeaker's response to transients is an essential condition of "fidelity" which can be tested by detecting the "dragging" of the diaphragm when the loudspeaker is challenged by a train of pulses. The inertia of the moving assembly and the forces due to self-induction phenomena contribute to this defect.
  • the existing electrodynamic loudspeakers are affected by generally mediocre electroacoustic efficiencies, with values between 0.5% and 5%.
  • a room must be sounded with about 100 W RMS to ensure the reproduction of the fortissimo of a piano delivering about 150 mW.
  • the useful driving force at the origin of the movement of the mobile assembly results from the interaction of the magnetic induction field, denoted B, with each element of length of the winding traversed by a current denoted i(t).
  • B the magnetic induction field
  • i(t) the elementary force applied to a moving charge carrier within an induction field
  • Lorentz force acts in a direction perpendicular to the plane defined by the field. and carrier velocity.
  • This force modulated by the intensity, solicits the mobile assembly whose mechanical behavior is dictated by three components: an inertia force, product of the mass of the moving parts (M m ) by the imposed acceleration, a force damping, generally considered proportional to the speed of movement via a constant denoted f m (in N/(m/s) or kg/s) (f m being most often denoted R m in terms of mechanical resistance), and a return force linked to the suspension mechanics affected by a stiffness noted k m (in N/m).
  • Equation [2] in all generality presents in its left member the oscillation control solicitation of the system described by the right member.
  • the implementation of the Lorentz force historically underlines the originality of the invention of the loudspeaker, motivated by the intensive development of the telephone (tube amplifiers (thermionic emission tubes, called radio lamps ) were not yet developed, and the concept of electrical impedance still remained uncertain for those skilled in the art).
  • the generic configuration of a conventional electrodynamic loudspeaker implies, for the driving part, the implementation of a magnetic assembly generally comprising ferrous materials in its center in order to be able to have a radial configuration of the magnetic field. .
  • These latter materials are relatively inexpensive but they generate, however, an effect of degradation of the signals at high frequency, with regard to the eddy currents resulting from the displacement of the winding of the mobile assembly through which a current passes.
  • various inventors have sought to implement different materials, while scrupulously respecting a “monolithic” configuration suitable for establishing radial field lines.
  • assemblies with radially shaped fields are technically difficult to manufacture and are therefore generally very expensive.
  • European patent application EP3634013A1 describes a system of magnets for an electromechanical transducer, in which the system of magnets comprises a first outer pair of annular permanent magnets with axial magnetization and a second inner pair of annular permanent magnets with axial magnetization in opposite polarity with respect to the first pair of permanent magnets, a voice coil being placed in the air gap formed between the first pair of permanent magnets and the second pair of permanent magnets.
  • this existing system of magnets does not make it possible to obtain a constant magnetic field observable with regard to the stroke of the moving assembly of the loudspeaker motor electrodynamic, and therefore does not make it possible to linearize the force factor of the driving part over the entire useful stroke of the voice coil.
  • the pace of the evolution of the magnetic field in space associated with the travel of the moving assembly is strongly distorted.
  • two solid elements are present between the upper and lower magnets, these solid elements being metals or alloys with electrical conductivities of very high values.
  • these metallic elements generate eddy currents (generated within any conductive mass placed near the coil (through which a current passes) during the movement of the mobile assembly), generating an effect of degradation of the signals at high frequency.
  • the present invention aims to solve the drawbacks of the prior state of the art, by proposing a magnet assembly for an electrodynamic loudspeaker motor, comprising a first outer pair of annular permanent magnets with axial magnetization and a second inner pair of ring permanent magnets with axial magnetization, the thickness of the permanent magnets of the second inner pair being less than that of the permanent magnets of the first outer pair, and each permanent magnet of the second inner pair being offset by a predefined offset distance not null inside the associated permanent magnet of the first external pair, which makes it possible to obtain an electrodynamic loudspeaker with annular magnetic field compensation, with low electrical and mechanical losses, thus allowing quality sound reproduction featuring far less non-linearity loss and distortion than conventional loudspeakers.
  • the present invention therefore relates to a magnet assembly for an electrodynamic loudspeaker motor, said magnet assembly comprising a first outer pair of magnets and a second inner pair of magnets; the first external pair of magnets comprising a first annular external permanent magnet with axial magnetization and a second annular external permanent magnet with axial magnetization, said first and second external annular permanent magnets being arranged axially opposite each other, being spaced from each other and having the same first thickness; the second internal pair of magnets comprising a first annular internal permanent magnet with axial magnetization and a second annular internal permanent magnet with axial magnetization, said first and second internal annular permanent magnets being arranged axially opposite each other, being spaced from each other and having the same second thickness, the first and second annular internal permanent magnets and the first and second annular external permanent magnets being coaxial, that is to say having the same central axis of symmetry, the first inner permanent magnet being disposed inside the first outer permanent magnet and the second inner permanent magnet being disposed inside the second outer permanent magnet such
  • Each of the four permanent magnets forming the magnet assembly is annular, such that each ring-shaped permanent magnet has a central axis of symmetry.
  • each ring permanent magnets are coaxial, they have the same central axis of symmetry.
  • annular permanent magnet with axial magnetization we mean a permanent magnet in the form of a ring having a magnetic field with axial flux with respect to the central axis of symmetry of the ring.
  • the annular permanent magnet is thus magnetized with respect to its thickness (that is to say, its height), the north pole of the annular permanent magnet being on one of the two circular faces located at the ends of the ring, and the south pole of the annular permanent magnet being on the other of the two circular faces located at the ends of the ring.
  • Each ring i.e., annular permanent magnet
  • the section of the ring is thus defined by its thickness multiplied by the difference between its external diameter and its internal diameter.
  • thickness of the annular permanent magnet we mean the distance between its lower circular face and its upper circular face, that is to say the height of the ring along its central axis of symmetry.
  • the magnet assembly according to the present invention has a specific arrangement of annular permanent magnets having a magnetic field with axial flux, the second pair of permanent magnets with axial magnetization being introduced within the first pair of permanent magnets at axial magnetization while keeping the same central axis of symmetry and in opposite polarity with respect to the first pair of magnets in order to provide a magnetic field compensation function.
  • the predefined offset distance (denoted ⁇ y ⁇ 0) between the planes of the permanent magnets of the second internal pair and the planes of the respective permanent magnets of the first external pair makes it possible to obtain a substantially constant value of the radial component of the magnetic field in the air gap of the magnet assembly.
  • the magnet assembly of the present invention thus makes it possible to obtain a substantially constant value of the physical quantity force factor (B.l) at any point of the useful travel of the loudspeaker coil within the air gap of the loving together.
  • the offset of the permanent magnets of the second internal pair with respect to those of the first external pair thus makes it possible to introduce a so-called compensation function (rectification) of the non-linearities of the magnetic field map in the magnet assembly.
  • the coupling in pairs of different annular magnets with axial magnetization thus makes it possible to have, in space, an exploitable zone of the most constant possible magnetic field, within which the coil of the electrodynamic loudspeaker can move (in a direction denoted y, perpendicular to the planes of the ring magnets).
  • the winding of the turns of the coil having a fixed developed length, this results in the desired invariance of the force factor B l .
  • the magnet assembly of the present invention can thus be used in an ironless electrodynamic loudspeaker motor involving optimal compensated magnetic field configurations, obtained by the judicious arrangement of the axially magnetized annular permanent magnets.
  • the first and second external permanent magnets are separated by at least one of air and a non-metallic material such as a polymer.
  • the first and second internal permanent magnets are separated by at least one of air and a non-metallic material such as a polymer.
  • any type of polymer suitable for mechanically mounting the magnets in a loudspeaker enclosure for example machined polyvinyl chloride (PVC), can be used to separate the magnets of the same pair.
  • PVC machined polyvinyl chloride
  • the separation pieces could also be produced by three-dimensional (3D) printing, without departing from the scope of the present invention.
  • each of the first and second external permanent magnets consists of two annular permanent sub-magnets with axial magnetization which are superimposed and have the same internal diameter, the same external diameter, the same magnetic direction north- south and different thicknesses.
  • this specific configuration of the first external pair of permanent magnets makes it possible to obtain a substantially constant value of the radial component of the magnetic field in the air gap of the magnet assembly over a greater extent in the y direction, c' that is to say on a greater stroke of the coil in the air gap.
  • the permanent sub-magnet facing the other of the first and second external permanent magnets has a thickness equal to the predefined offset distance.
  • the ratio of the first thickness to the second thickness is between 1 and 5.
  • the predefined offset distance is between 2% and 50% of the first thickness.
  • the second thickness must be less than or equal to the first thickness minus the predefined offset distance.
  • the air gap between the first outer pair of magnets and the second inner pair of magnets has a spacing of between 0.5mm and 6mm.
  • the present invention thus aims to operate the displacement of the coil within a magnetic field that is as homogeneous as possible, but at a significant distance from each of the elements of the pairs of annular magnets generating this field. This distance and the absence of ferrous material guarantee a minimum of energy losses associated with eddy currents, the latter being minimized.
  • the air gap spacing is thus increased compared to the standard state of the art, thus allowing a possible lateral displacement of the coil of the moving assembly (defect for example linked to residual non-linearities ), thus avoiding any risk of snagging between the mobile assembly and the permanent magnets during temporarily defective operation of the electrodynamic loudspeaker.
  • the permanent magnets of the first and second pairs of magnets are made of at least one material from among neodymium, iron, boron, cobalt, nickel, a ferromagnetic ceramic comprising at least one iron oxide, samarium, zinc and aluminum.
  • the present invention also relates to an electrodynamic loudspeaker motor comprising a magnet assembly as described above and a moving assembly comprising a cylindrical coil support which is partly inserted into the air gap of the magnet assembly and on which is wound a coil disposed in the air gap of the magnet assembly.
  • the injection of an amplitude and frequency modulated current into the coil carried by the moving assembly causes the movement of the moving assembly, and therefore of the coil, in the air gap of the magnet assembly in which the radial component of the magnetic field generated is substantially constant (that is to say, a force factor B.l substantially invariant over the entire useful stroke of the coil), which allows quality sound reproduction with much less loss and less non-linear distortions than conventional loudspeakers.
  • the motor according to the present invention can be stressed in voltage (in the traditional way), but is also particularly suitable for being the subject of a current control mode (for a solicitation regime imposed by an electronic conditioner of the voltage converter type /fluent).
  • the moving assembly is made of polyimide film (such as Kapton®).
  • the present invention also relates to an electrodynamic loudspeaker comprising a chassis in which are arranged an electrodynamic loudspeaker motor as described above and a membrane connected to the moving assembly of the motor.
  • the mechanical displacement of the moving assembly induced at audible frequency is transformed into an acoustic field by means of the membrane acting as an emissive surface (also called an acoustic radiator).
  • FIG. 1 is a sectional view of an annular permanent magnet with axial magnetization
  • FIG. 1 is a perspective view of a partially truncated magnet assembly according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a sectional view of the magnet assembly according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view of an electrodynamic loudspeaker motor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view of a magnet assembly according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a moving assembly of the engine according to the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded view of an electrodynamic loudspeaker according to the present invention.
  • annular permanent magnet with axial magnetization 1.
  • the annular axial magnetization permanent magnet 1 comprises a north magnetic pole (N) 1a and a south magnetic pole (S) 1b arranged one above the other so as to generate an axial flux magnetic field, the dotted lines on the representing the field map associated with this axially magnetized permanent magnet 1.
  • the annular permanent magnet 1 thus has the shape of a ring and presents a magnetic field with axial flux with respect to its central axis of symmetry.
  • the annular permanent magnet 1 is thus magnetized with respect to its thickness (that is to say, its height along its central axis of symmetry), its north magnetic pole (N) being on one of its two end faces, and its south magnetic pole (S) being on the other of its two end faces.
  • N north magnetic pole
  • S south magnetic pole
  • the magnet assembly 2 comprises a first outer pair of magnets comprising a first annular axially magnetized outer permanent magnet 3a and a second annular axially magnetized outer permanent magnet 3b, the first and second outer permanent magnets 3a and 3b being identical and arranged axially facing each other while being spaced apart by a distance b, the first and second external permanent magnets 3a and 3b having the same first thickness.
  • the magnet assembly 2 further comprises a second internal pair of magnets comprising a first annular internal permanent magnet with axial magnetization 4a and a second annular internal permanent magnet with axial magnetization 4b, the first and second internal permanent magnets 4a and 4b being identical and arranged axially facing each other while being spaced apart by a distance b + 2 ⁇ y, the first and second internal permanent magnets 4a and 4b having the same second thickness which is less than the first thickness of the first and second external permanent magnets 3a and 3b.
  • the first and second internal permanent magnets 4a and 4b and the first and second external permanent magnets 3a and 3b are coaxial.
  • the first internal permanent magnet 4a is disposed inside the first external permanent magnet 3a
  • the second internal permanent magnet 4b is disposed inside the second external permanent magnet 3b, such that an air gap e is formed between the first outer pair of magnets and the second inner pair of magnets.
  • the magnetic polarity (i.e., the north-south magnetic field direction) of the first inner permanent magnet 4a is opposite to that of the first outer permanent magnet 3a
  • the magnetic polarity of the first inner permanent magnet 4a is opposite to that of the second internal permanent magnet 4b
  • the magnetic polarity of the first external permanent magnet 3a is opposite to that of the second external permanent magnet 3b.
  • the face of the first internal permanent magnet 4a which faces the second internal permanent magnet 4b is offset by a predefined non-zero offset distance ⁇ y relative to the face of the first external permanent magnet 3a which faces the second external permanent magnet 3b.
  • the face of the second internal permanent magnet 4b which faces the first internal permanent magnet 4a is offset by the predefined offset distance ⁇ y with respect to the face of the second external permanent magnet 3b which faces the first permanent magnet external 3a.
  • the magnet assembly 2 thus has a specific arrangement of annular permanent magnets 3a, 3b, 4a and 4b having a magnetic field with axial flux, the second pair of permanent magnets with axial magnetization 4a, 4b being introduced within the first pair of permanent magnets with axial magnetization 3a, 3b keeping the same central axis of symmetry and in opposite polarity with respect to the first pair of magnets 3a, 3b.
  • the predefined offset distance ⁇ y between the planes of the permanent magnets 4a, 4b of the second internal pair and the planes of the respective permanent magnets 3a, 3b of the first external pair makes it possible to obtain a substantially constant value of the radial component Bx of the field magnet in the air gap e of the magnet assembly 2.
  • the offset of the permanent magnets 4a, 4b of the second internal pair with respect to those of the first external pair thus makes it possible to introduce a so-called compensation function (rectification) of the non -linearities of the magnetic field map in the magnet assembly 2.
  • the ring magnets 3a and 3b of the first external pair of magnets have, by way of example, a rectangular section, an external diameter of 30 mm, an internal diameter of 25 mm, a thickness of 4 mm, a distance b between the internal faces of 6 mm, and a material of the Nd-Fe-B type (neodymium-iron-boron).
  • the ring magnets 4a and 4b of the second internal pair of magnets have, by way of example, a rectangular section, an external diameter of 17 mm, a internal diameter of 10.25 mm, a thickness of 2.45 mm, a distance b + 2 ⁇ y between the internal faces of 6 mm + 2 ⁇ y, and an Nd-Fe-B type material.
  • the ratio of the first thickness of the external magnets 3a and 3b to the second thickness of the internal magnets 4a and 4b could also be between 1 and 5, without deviating from the present invention.
  • the predefined offset distance ⁇ y can be between 2% and 50% of the first thickness of the external magnets 3a and 3b, the second thickness of the internal magnets 4a and 4b however having to be less than or equal to the first thickness minus the offset distance predefined ⁇ y.
  • the air gap e thus has a spacing of 4 mm.
  • the air gap e could also have a spacing of between 0.5mm and 6mm, without departing from the scope of the present invention.
  • the permanent magnets 3a, 3b, 4a and 4b could also be made of at least one material from among neodymium, iron, boron, cobalt, nickel, a ferromagnetic ceramic comprising at least one iron oxide, samarium, zinc and aluminum, without departing from the scope of the present invention.
  • the zero of the y axis is defined on the upper face of the first external magnet 3a of the magnet assembly 2.
  • The presents the values of the radial component Bx of the magnetic field collected during the trajectory of the probe, which is translated by a reading from left to right on the y axis arranged on the abscissa.
  • a shift distance of ⁇ y operated by successive steps leads to a set of measurements whose different values are represented on the .
  • the magnet assembly 2 thus makes it possible to obtain a magnetic field map, the lines of which are idealized with respect to a relative invariance of the product B x l when the latter is observed as a function of the quasi position statics of the moving assembly of the electrodynamic loudspeaker.
  • an electrodynamic loudspeaker motor 5 comprising the magnet assembly 2 according to the first embodiment of the present invention.
  • the first and second external permanent magnets 3a and 3b are separated by a ring of non-metallic material 6 such as a polymer.
  • ring 6 could also be replaced by air, without departing from the scope of the present invention.
  • first and second internal permanent magnets 4a and 4b are also separated by a ring of non-metallic material or by air.
  • any type of polymer suitable for mechanically mounting the magnets in a loudspeaker enclosure for example machined polyvinyl chloride (PVC), can be used to separate the magnets of the same pair.
  • PVC machined polyvinyl chloride
  • the magnet assembly 2 of the present invention thus makes it possible to be used in an ironless electrodynamic loudspeaker motor 5 involving compensated optimum magnetic field configurations.
  • the electrodynamic loudspeaker motor 5 comprises the magnet assembly 2 and a movable assembly 7 of the cylindrical support type which is inserted in the air gap of the magnet assembly 2 and on which is wound a coil 8 arranged at the level of the magnet assembly air gap 2.
  • the magnetic field B generated by the magnet assembly 2 has a radial component Bx along the x axis and an axial component By along the y axis.
  • This generic representation of the electrodynamic loudspeaker motor 5 shows the coil 8 moving along the y axis and subjected to the radial component Bx of the magnetic field B generated by the magnet assembly 2, the magnetic field B being oriented towards the center from magnet assembly 2, i.e. to coil 8.
  • a current i modulated in amplitude and frequency is injected into the coil 8 carried by the mobile assembly 7.
  • Maxwell's rule makes it possible to figure the direction of the Lorentz force F driving the movement of the moving assembly 7.
  • the injection of the current i into the coil 8 thus causes the movement of the movable assembly 7 along the axis y, and therefore of the coil 8, in the air gap of the magnet assembly 2 in which the radial component Bx of the magnetic field B generated is substantially constant (that is to say, a force factor B.l substantially constant at any point of the useful stroke of the coil 8 within the air gap of the magnet assembly 2), which allows quality sound reproduction with much less loss and distortion of non-linearities than conventional loudspeakers.
  • the motor 5 according to the present invention can be stressed in voltage (in the traditional way), but is also particularly suitable for being the subject of a current control mode (for a solicitation regime imposed by an electronic conditioner of the converter type voltage/current).
  • the motor 5 thus allows the movement, along the y axis, of the coil 8 within a magnetic field B that is as homogeneous as possible, but at a significant distance from each of the permanent magnets 3a, 3b, 4a , 4b generating this magnetic field B.
  • the large spacing of the air gap e and the absence of ferrous material guarantee a minimum of energy losses associated with eddy currents, the latter being minimized.
  • the magnet assembly 2' according to the second embodiment in is identical to the magnet assembly 2 according to the first embodiment in , except that the first outer permanent magnet 3a consists of two axially magnetized annular permanent sub-magnets 31a and 32a which are superimposed and have the same internal diameter, the same external diameter, the same magnetic polarity and different thicknesses, and the fact that the second external permanent magnet 3b consists of two annular permanent axial magnetization sub-magnets 31b and 32b which are superimposed and have the same internal diameter, the same external diameter, the same magnetic polarity and thicknesses different.
  • the permanent sub-magnet 32a of the first external permanent magnet 3a is arranged opposite the second external permanent magnet 3b, and the permanent sub-magnet 32b of the second external permanent magnet 3b is arranged opposite the first external permanent magnet 3a.
  • the permanent sub-magnets 31a and 31b have the same thickness, and the permanent sub-magnets 32a and 32b also have the same thickness.
  • the thickness of the permanent sub-magnets 32a and 32b is equal to the predefined offset distance ⁇ y.
  • the permanent sub-magnets 32a and 32b could also be of another thickness, without departing from the scope of the present invention.
  • the thickness of the sub-magnets 32a and 32b is 1.5 mm, and that the thickness of the sub-magnets -magnets 31a and 31b is 2.5 mm.
  • the operational travel D2 of the coil 8 over which the radial component Bx is substantially constant is about 6 mm, so that the useful stroke at constant force factor of the coil 8 in the air gap is about 6 mm, which is significant with regard to the state of the art, considering the overall dimensions of the device.
  • the moving assembly 7 of the cylindrical support type carries the coil 8 wound around it.
  • One of the ends of the mobile assembly 7 is connected to a membrane 11 itself connected to a frame 9 of square shape via several flexible arms 10 cut out of the membrane material.
  • the mobile element 7 is thus commonly called “piston”.
  • the moving assembly 7 of the cylindrical support type and the membrane 11 can, for example, be made of polyimide film such as Kapton®.
  • the frame 9 can, for example, be made of epoxy glass.
  • a dome 12 closes the opening of the moving assembly 7 at its end connected to the membrane 11.
  • Frame 9 also includes electrical tracks 13 for supplying current to coil 8.
  • the structure of the mobile assembly 7 is optimized to cause a minimum of energy losses with regard to the electrical source responsible for controlling the device.
  • the electrodynamic loudspeaker 14 comprises a chassis 15, consisting of a first housing part 15a and a second housing part 15b, in which are mounted the motor 5 (that is to say, the magnet assembly 2 or 2' and the mobile assembly 7 carrying the coil 8), the membrane 11 and the frame 9.
  • the first external permanent magnet 3a is mounted inside the second housing part 15b, while the second external permanent magnet 3b and the first and second internal permanent magnets 4a and 4b are mounted inside the first housing part. box 15a.
  • Disks or rings of non-metallic material (for example, polymer) 16 are arranged above the first internal permanent magnet 4a, below the second internal permanent magnet 4b and between the first and second internal permanent magnets 4a and 4b, so as to space the appropriate distance b + 2 ⁇ y the first and second internal permanent magnets 4a and 4b.
  • the first and second casing parts 15a and 15b have holes 17 at their edges, so as to allow fixing between them by screwing the two casing parts 15a and 15b when the latter are placed one against the other. so as to place the first external permanent magnet 3a at the distance b from the second external permanent magnet 3b.
  • first and second housing parts 15a, 15b when the first and second housing parts 15a, 15b are assembled, air separates the first and second external permanent magnets 3a and 3b.
  • first and second external permanent magnets 3a and 3b could also be separated by a ring of non-metallic material 6 (as shown in ), without departing from the scope of the present invention.
  • the moving assembly 7 is then inserted into the air gap of the magnet assembly 2 via the upper face of the second casing part 15b, until the frame 9 comes into abutment against the surface top of the second housing part 15b.
  • the frame 9 is then fixed by screwing to the second casing part 15b via the holes 18 formed at the four corners of the frame 9.
  • the coil 8 is thus found at the level of the air gap between the two internal permanent magnets 4a and 4b of the magnet assembly 2, that is to say at the level of the constant force factor zone of the magnet assembly. 2.
  • the membrane 11 then plays the role of emissive surface (or speaking surface or acoustic radiator) and makes it possible to transform the mechanical displacement of the mobile assembly 7 induced at audible frequency into an acoustic field.
  • the motor 5 shown in Figures 9 and 10 is specifically of the piston type, in another embodiment the coil 8 could also be directly fixed to the rear face of the membrane 11, without departing from the scope of the present invention. Furthermore, the entire circumference of the membrane 11 could also be connected to the frame 9 (i.e., absence of flexible arms 10), without departing from the scope of the present invention.
  • Table 1 below summarizes the characteristics of the coils 8 used for various prototypes.
  • Loudspeakers N°1 and N°4 belong to family 1 (diameter of speaking surface of 17mm), while loudspeakers N°2, N°3 and N°5 belong to family 2 (diameter of 40mm speaking surface).
  • Structures of a first type are developed with their vibrating membranes 11 in Kapton® stretched on the frame 9 of epoxy glass. It follows that their natural resonance frequencies are those of the membrane modes.
  • the thicknesses of Kapton® are respectively 25 ⁇ m, 50 ⁇ m and 125 ⁇ m.
  • the piston part is held by means of four flexible arms 10 connected to the frame 9.
  • the resonance modes of membranes tend to disappear with the piston structures.
  • the plunger can be made of cardboard or Kapton® polyimide.
  • loudspeakers No. 2, No. 3 and No. 5 of family 2 they all have in common the dimension of their frame 9 (60 x 60 mm2) and a coil 8 of twenty-five turns of wire. copper having an electrical resistance in accordance with the information in Table 1.
  • One version includes a Kapton® membrane with a thickness of 25 ⁇ m, another version includes a Kapton® piston with a thickness of 125 ⁇ m, another version includes a cardboard piston on Kapton® in thickness 125 ⁇ m, and another version includes a piston made of foam and carbon on carbon fiber material in thickness 200 ⁇ m.
  • the processing of the impedance measurements provides access to the dissociation of the dissipative parts (apparent resistance Re) and the stored energy parts (apparent self Le).
  • the prototypes of the invention are marked by the absence of eddy currents, Re and Le not varying with frequency.
  • the parameters to be considered for sizing the electrodynamic loudspeaker 14 are the area and the amplitude of the displacement of the speaking surface (or membrane 11), on which the sound level generated by the electrodynamic loudspeaker 14. Assuming spherical radiation from the source, the acoustic power is linked to the sound level L dB and to the distance from the source l source , as follows:
  • the loudspeaker 14 must generate an acoustic power of 12.6 ⁇ W.
  • the acoustic power produced by a single face of the piston is related to its surface and to its displacement in the following way:
  • ⁇ air is the density of air (1.2 kg/m3 at 20°C), c the speed of sound in air (343 m/s at 20°C), f the vibration frequency of the speaking surface, S its surface and x its effective displacement. This equation is valid only if the piston behaves like a point source.
  • This equation shows the two degrees of freedom to act on the volume of air displaced: the diameter d of the emissive surface and its amplitude of displacement x max .

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Abstract

Ensemble aimant de moteur pour haut-parleur électrodynamique, moteur de haut-parleur électrodynamique le comprenant, et haut-parleur électrodynamique associé L'invention concerne un ensemble aimant (2) pour moteur de haut-parleur électrodynamique, comprenant une première paire externe d'aimants permanents annulaires à magnétisation axiale (3a, 3b) ayant une première épaisseur et une deuxième paire interne d'aimants permanents annulaires à magnétisation axiale (4a, 4b) ayant une deuxième épaisseur inférieure à la première épaisseur, la face du premier aimant interne (4a) en regard du deuxième aimant interne (4b) étant décalée d'une distance de décalage prédéfinie (Δy) par rapport à la face du premier aimant externe (3a) en regard du deuxième aimant externe (3b), et la face du deuxième aimant interne (4b) en regard du premier aimant interne (4a) étant décalée de la distance de décalage prédéfinie (Δy) par rapport à la face du deuxième aimant externe (3b) en regard du premier aimant externe (3a).

Description

Ensemble aimant pour moteur de haut-parleur électrodynamique, moteur de haut-parleur électrodynamique le comprenant, et haut-parleur électrodynamique associé
La présente invention concerne le domaine des haut-parleurs électrodynamiques, et porte en particulier sur un ensemble aimant pour moteur de haut-parleur électrodynamique, sur un moteur de haut-parleur électrodynamique comprenant ledit ensemble aimant, et sur un haut-parleur électrodynamique comprenant ledit moteur.
Un moteur de haut-parleur électrodynamique classique comprend un actionneur électromagnétique, le plus souvent composé d’un bobinage disposé sur un équipage mobile, au sein d’un champ magnétique généré par un ensemble aimant permanent, la configuration du champ magnétique permanent présentant une symétrie dite radiale entre les pôles nord et sud de l’ensemble aimant permanent. Lorsque le bobinage est parcouru par un courant modulé en amplitude et en fréquence, le déplacement mécanique induit à fréquence audible est transformé en champ acoustique au moyen d’une membrane jouant le rôle de surface émissive, également appelée radiateur acoustique. La qualité sonore du haut-parleur électrodynamique dépend de la courbe de réponse en fréquence, qui doit être la plus invariante possible sur l’ensemble de la bande passante (par exemple, de 16 Hz à 20000 Hz), et de la linéarité du système marquée par la présence d’un minimum de distorsions harmoniques et d’intermodulation.
Si le haut-parleur électrodynamique favorise d’égale manière toutes les fréquences, la reproduction du timbre d’un instrument de musique, constitutif des harmoniques utiles du son, semble a priori pouvoir être assurée. La réalité se révèle toutefois plus complexe compte tenu de la nécessité de reproduire convenablement les transitoires d’attaque des sons, représentatifs de la signature acoustique des instruments de qualité. La réponse du haut-parleur aux transitoires est une condition essentielle de « fidélité » qui peut être testée en détectant le « traînage » de la membrane lorsque le haut-parleur est sollicité par un train d’impulsions. L’inertie de l’équipage mobile et les forces dues aux phénomènes d’auto-induction participent à ce défaut.
Les mesures acoustiques, optiques et électriques montrent qu’il n’existe pas de haut-parleur électrodynamique idéal, et que chaque réalisation présente des défauts en termes de limitation de bande passante, de pointes de résonance diverses et d’inertie. Le couplage de plusieurs haut-parleurs permet en principe de pallier à de nombreux défauts, mais à l’inverse il arrive parfois de voir les défauts cumulés de façon rédhibitoire pour une reproduction musicale de qualité.
En outre, les haut-parleurs électrodynamiques existants sont affectés de rendements électroacoustiques généralement médiocres, avec des valeurs comprises entre 0,5 % et 5%. A titre d’exemple, un local doit être sonorisé avec environ 100 WRMSpour assurer la reproduction des fortissimo d’un piano délivrant environ 150 mW.
La force motrice utile à l’origine du déplacement de l’équipage mobile résulte de l’interaction du champ d’induction magnétique, noté B, avec chaque élément de longueur du bobinage traversé par un courant noté i(t). Sur le plan local, la force élémentaire F (en Newton) appliquée sur un porteur de charge en déplacement au sein d’un champ d’induction est qualifiée de force de Lorentz et s’exerce dans une direction perpendiculaire au plan défini par le champ et la vitesse des porteurs. Un bilan au sein d’un volume élémentaire porteur de charges assujetti au phénomène conduit à l’expression :
[1]
Tout se passe comme si la longueur déroulée du bobinage, notée l, était exposée à un champ d’induction magnétique homogène, ce qui permet de définir la quantité Bl = B.l appelée facteur de force (en N/A ou en T.m) de la partie motrice (également appelée « moteur ») du haut-parleur électrodynamique.
Cette force, modulée par l’intensité, sollicite l’équipage mobile dont le comportement mécanique est dicté par trois composantes : une force d’inertie, produit de la masse des parties en mouvement (Mm) par l’accélération imposée, une force d’amortissement, généralement considérée proportionnelle à la vitesse de déplacement via une constante notée fm (en N/(m/s) ou kg/s) (fm étant le plus souvent notée Rm en termes de résistance mécanique), et une force de rappel liée à la mécanique de suspension affectée d’une raideur notée km (en N/m). Pour une translation guidée sur un axe x, l’équation de comportement d’un tel haut-parleur électrodynamique idéalisé s’écrit :
[2]
Cette relation de description générale de tout oscillateur amorti est rencontrée en de très nombreux systèmes physiques.
L’équation [2] en toute généralité présente en son membre de gauche la sollicitation de commande d’oscillation du système décrit par le membre de droite. En ce sens, la mise en œuvre de la force de Lorentz souligne historiquement l’originalité de l’invention du haut-parleur, motivée par le développement intensif du téléphone (les amplificateurs à lampes (tubes à émission thermo-ionique, dits lampes radio) n’étaient pas encore développés, et la notion d’impédance électrique restait encore incertaine pour l’homme du métier).
Dans l’idéal, il convient, quelle que soit l’intensité, de maintenir invariant le facteur de force Bl= B.l, et cela quelle que soit la position de l’équipage mobile en cours de fonctionnement.
Il est ainsi utile de tracer l’allure de Bl en fonction de x, ce dernier paramètre dénotant le déplacement de la membrane selon la direction longitudinale du haut-parleur, pour avoir une idée de la qualité du haut-parleur. Il importerait dans l’idéal de disposer d’un tracé plat sur toute la plage opérationnelle pour disposer d’une reproduction optimale des signaux de sollicitation. Pour un haut-parleur électrodynamique selon l’état de la technique, la représentation de ce tracé prend approximativement la forme d’une gaussienne, et de nombreux développements ont cherché (avec un succès très relatif) à améliorer ce comportement. La disposition générique de l’enroulement de l’équipage mobile dans un haut-parleur classique fait apparaître la proximité entre l’enroulement et les pièces fixes de l’ensemble aimant permanent. Une telle conformation est propice à la génération de courants de Foucault au sein des parties électriquement conductrices fixes lorsque l’équipage mobile est activé, notamment en haute fréquence.
De plus, la configuration générique d’un haut-parleur électrodynamique classique implique, pour la partie motrice, la mise en œuvre d’un assemblage magnétique comportant généralement en son centre des matériaux ferreux afin de pouvoir disposer d’une configuration radiale du champ magnétique. Ces derniers matériaux sont relativement peu coûteux mais ils engendrent, cependant, un effet de dégradation des signaux en haute fréquence, au regard des courants de Foucault consécutifs au déplacement de l’enroulement de l’équipage mobile parcouru par un courant. Afin de pallier cette altération, divers inventeurs ont cherché à mettre en œuvre différents matériaux, tout en respectant scrupuleusement une configuration « monolithique » appropriée à l’établissement de lignes de champ radiales. Bien que relativement performants, les assemblages à champs conformés radialement sont techniquement difficiles à fabriquer et sont par conséquent généralement très chers.
La demande de brevet européen EP3634013A1 décrit un système d’aimants pour un transducteur électromécanique, dans lequel le système d’aimants comprend une première paire externe d’aimants permanents annulaires à magnétisation axiale et une seconde paire interne d’aimants permanents annulaires à magnétisation axiale en opposition de polarité par rapport à la première paire d’aimants permanents, une bobine mobile étant disposée dans l’entrefer formé entre la première paire d’aimants permanents et la seconde paire d’aimants permanents. Cependant, les épaisseurs des aimants permanents des première et seconde paires étant identiques, ce système d’aimants existant ne permet pas l’obtention d’un champ magnétique constant observable au regard de la course de l’équipage mobile du moteur de haut-parleur électrodynamique, et ne permet donc pas de linéariser le facteur de force de la partie motrice sur toute la course utile de la bobine mobile. En effet, avec ce système d’aimants existant, l’allure de l’évolution du champ magnétique dans l’espace associé à la course de l’équipage mobile est fortement distordue. En outre, dans la demande EP3634013A1, deux éléments solides sont présents entre les aimants supérieurs et inférieurs, ces éléments solides étant des métaux ou des alliages assortis de conductivités électriques de valeurs très élevées. Or, la présence de ces éléments métalliques génèrent des courants de Foucault (générés au sein de toute masse conductrice disposée à proximité de la bobine (parcourue par un courant) lors du mouvement de l’équipage mobile), engendrant un effet de dégradation des signaux en haute fréquence.
Le système d’aimants décrit dans la demande de brevet américain US2018/132041A1 présente les mêmes inconvénients.
La présente invention vise à résoudre les inconvénients de l’état antérieur de la technique, en proposant un ensemble aimant pour moteur de haut-parleur électrodynamique, comprenant une première paire externe d’aimants permanents annulaires à magnétisation axiale et une deuxième paire interne d’aimants permanents annulaires à magnétisation axiale, l’épaisseur des aimants permanents de la deuxième paire interne étant inférieure à celle des aimants permanents de la première paire externe, et chaque aimant permanent de la deuxième paire interne étant décalé d’une distance de décalage prédéfinie non nulle à l’intérieur de l’aimant permanent associé de la première paire externe, ce qui permet d’obtenir un haut-parleur électrodynamique à compensation de champ magnétique annulaire, avec de faibles pertes électriques et mécaniques, permettant ainsi une reproduction sonore de qualité comportant beaucoup moins de pertes et de distorsions de non-linéarités que les haut-parleurs classiques.
La présente invention a donc pour objet un ensemble aimant pour un moteur de haut-parleur électrodynamique, ledit ensemble aimant comprenant une première paire externe d’aimants et une deuxième paire interne d’aimants ; la première paire externe d’aimants comprenant un premier aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale et un deuxième aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale, lesdits premier et deuxième aimants permanents externes annulaires étant disposés axialement l’un en regard de l’autre, étant espacés l’un de l’autre et ayant la même première épaisseur ; la deuxième paire interne d’aimants comprenant un premier aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale et un deuxième aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale, lesdits premier et deuxième aimants permanents internes annulaires étant disposés axialement l’un en regard de l’autre, étant espacés l’un de l’autre et ayant la même deuxième épaisseur, les premier et deuxième aimants permanents internes annulaires et les premier et deuxième aimants permanents externes annulaires étant coaxiaux, c’est-à-dire ayant le même axe central de symétrie, le premier aimant permanent interne étant disposé à l’intérieur du premier aimant permanent externe et le deuxième aimant permanent interne étant disposé à l’intérieur du deuxième aimant permanent externe de telle sorte qu’un entrefer est formé entre la première paire externe d’aimants et la deuxième paire interne d’aimants ; la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent interne étant opposée à celle du premier aimant permanent externe, la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent interne étant opposée à celle du deuxième aimant permanent interne, et la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent externe étant opposée à celle du deuxième aimant permanent externe ; caractérisé par le fait que la deuxième épaisseur est inférieure à la première épaisseur ; et la face du premier aimant permanent interne qui est en regard du deuxième aimant permanent interne est décalée d’une distance de décalage prédéfinie non nulle par rapport à la face du premier aimant permanent externe qui est en regard du deuxième aimant permanent externe, et la face du deuxième aimant permanent interne qui est en regard du premier aimant permanent interne est décalée de la distance de décalage prédéfinie par rapport à la face du deuxième aimant permanent externe qui est en regard du premier aimant permanent externe.
Chacun des quatre aimants permanents formant l’ensemble aimant est annulaire, de telle sorte que chaque aimant permanent en forme d’anneau possède un axe central de symétrie. Ainsi, étant donné que les aimants permanents annulaires sont coaxiaux, ils possèdent le même axe central de symétrie.
Par aimant permanent annulaire à magnétisation axiale, on entend un aimant permanent en forme d’anneau présentant un champ magnétique à flux axial par rapport à l’axe central de symétrie de l’anneau. L’aimant permanent annulaire est ainsi magnétisé par rapport à son épaisseur (c’est-à-dire, sa hauteur), le pôle nord de l’aimant permanent annulaire se trouvant sur l’une des deux faces circulaires situées aux extrémités de l’anneau, et le pôle sud de l’aimant permanent annulaire se trouvant sur l’autre des deux faces circulaires situées aux extrémités de l’anneau.
Chaque anneau (c’est-à-dire, aimant permanent annulaire) est défini par les dimensions suivantes : son diamètre externe, son diamètre interne et son épaisseur. La section de l’anneau est ainsi définie par son épaisseur multipliée par la différence entre son diamètre externe et son diamètre interne. Par épaisseur de l’aimant permanent annulaire, on entend la distance entre sa face circulaire inférieure et sa face circulaire supérieure, c’est-à-dire la hauteur de l’anneau le long de son axe central de symétrie.
Ainsi, l’ensemble aimant selon la présente invention possède un agencement spécifique d’aimants permanents annulaires présentant un champ magnétique à flux axial, la deuxième paire d’aimants permanents à magnétisation axiale étant introduite au sein de la première paire d’aimants permanents à magnétisation axiale en gardant le même axe central de symétrie et en opposition de polarité par rapport à la première paire d’aimants en vue d’assurer une fonction de compensation du champ magnétique.
En effet, la distance de décalage prédéfinie (notée Δy ≠ 0) entre les plans des aimants permanents de la seconde paire interne et les plans des aimants permanents respectifs de la première paire externe permet d’obtenir une valeur sensiblement constante de la composante radiale du champ magnétique dans l’entrefer de l’ensemble aimant. L’ensemble aimant de la présente invention permet ainsi d’obtenir une valeur sensiblement constante de la grandeur physique facteur de force (B.l) en tout point de la course utile de la bobine du haut-parleur au sein de l’entrefer de l’ensemble aimant. Le décalage des aimants permanents de la deuxième paire interne par rapport à ceux de la première paire externe permet ainsi d’introduire une fonction dite de compensation (rectification) des non-linéarités de la carte de champ magnétique dans l’ensemble aimant.
Dans la présente invention, le couplage par paire de différents aimants annulaires à magnétisation axiale permet ainsi de disposer, dans l’espace, d’une zone exploitable de champ magnétique le plus constant possible, au sein de laquelle la bobine du haut-parleur électrodynamique peut se déplacer (dans une direction notée y, perpendiculaire aux plans des aimants annulaires). L’enroulement des spires de la bobine ayant une longueur développée fixe, il en résulte l’invariance du facteur de force Bl recherchée.
L’ensemble aimant de la présente invention peut ainsi être utilisé dans un moteur de haut-parleur électrodynamique sans fer impliquant des configurations de champs magnétiques optimales compensées, obtenues par la disposition judicieuse des aimants permanents annulaires à magnétisation axiale.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les premier et deuxième aimants permanents externes sont séparés par au moins l’un parmi de l’air et un matériau non métallique tel qu’un polymère.
Ainsi, l’absence de matière métallique ou d’alliages (et donc de matières conductrices) entre les aimants permanents externes permet de minimiser la génération de courants de Foucault, de manière à garantir un minimum de pertes énergétiques.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les premier et deuxième aimants permanents internes sont séparés par au moins l’un parmi de l’air et un matériau non métallique tel qu’un polymère.
Ainsi, l’absence de matière métallique ou d’alliages entre les aimants permanents internes permet de minimiser la génération de courants de Foucault, de manière à garantir un minimum de pertes énergétiques.
En pratique, tout type de polymère approprié au montage mécanique des aimants dans un boîtier de haut-parleur, par exemple du polychlorure de vinyle (PVC) usiné, peut être utilisé pour séparer les aimants d’une même paire. Il est à noter que les pièces de séparation pourraient également être réalisées par impression en trois dimensions (3D), sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, chacun des premier et deuxième aimants permanents externes est constitué de deux sous-aimants permanents annulaires à magnétisation axiale qui sont superposés et ont le même diamètre interne, le même diamètre externe, la même direction magnétique nord-sud et des épaisseurs différentes.
Ainsi, cette configuration spécifique de la première paire externe d’aimants permanents permet d’obtenir une valeur sensiblement constante de la composante radiale du champ magnétique dans l’entrefer de l’ensemble aimant sur une plus grande étendue dans la direction y, c’est-à-dire sur une course plus grande de la bobine dans l’entrefer.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, pour chacun des premier et deuxième aimants permanents externes, le sous-aimant permanent en regard de l’autre des premier et deuxième aimants permanents externes possède une épaisseur égale à la distance de décalage prédéfinie.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, le rapport de la première épaisseur sur la deuxième épaisseur est compris entre 1 et 5.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, la distance de décalage prédéfinie est comprise entre 2% et 50% de la première épaisseur.
Il est à noter que, dans tous les cas, la deuxième épaisseur doit être inférieure ou égale à la première épaisseur moins la distance de décalage prédéfinie.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’entrefer entre la première paire externe d’aimants et la deuxième paire interne d’aimants possède un espacement compris entre 0,5mm et 6mm.
La présente invention vise ainsi à opérer le déplacement de la bobine au sein d’un champ magnétique le plus homogène possible, mais à une distance significative de chacun des éléments des couples d’aimants annulaires générant ce champ. Cette distance et l’absence de matériau ferreux garantissent un minimum de pertes énergétiques associées aux courants de Foucault, ces derniers étant minimisés.
Dans la présente invention, l’espacement d’entrefer est ainsi majoré par rapport à l’état de la technique standard, permettant ainsi un éventuel déplacement latéral de la bobine de l’équipage mobile (défaut par exemple lié à des non-linéarités résiduelles), évitant alors tout risque d’accrochage entre l’équipage mobile et les aimants permanents lors d’un fonctionnement temporairement défectueux du haut-parleur électrodynamique.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les aimants permanents des première et deuxième paires d’aimants sont réalisés en au moins un matériau parmi du néodyme, du fer, du bore, du cobalt, du nickel, une céramique ferromagnétique comprenant au moins un oxyde de fer, du samarium, du zinc et de l’aluminium.
La présente invention a également pour objet un moteur de haut-parleur électrodynamique comprenant un ensemble aimant tel que décrit ci-dessus et un équipage mobile comprenant un support de bobine cylindrique qui est en partie inséré dans l’entrefer de l’ensemble aimant et sur lequel est enroulée une bobine disposée dans l’entrefer de l’ensemble aimant.
Ainsi, l’injection d’un courant modulé en amplitude et en fréquence dans la bobine portée par l’équipage mobile entraîne le déplacement de l’équipage mobile, et donc de la bobine, dans l’entrefer de l’ensemble aimant dans lequel la composante radiale du champ magnétique généré est sensiblement constante (c’est-à-dire, un facteur de force B.l sensiblement invariant sur toute la course utile de la bobine), ce qui permet une reproduction sonore de qualité comportant beaucoup moins de pertes et de distorsions de non-linéarités que les haut-parleurs classiques.
Le moteur selon la présente invention peut être sollicité en tension (de manière traditionnelle), mais est également particulièrement approprié pour faire l’objet d’un mode de contrôle en courant (pour un régime de sollicitation imposé par un conditionneur électronique de type convertisseur tension/courant).
Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’équipage mobile est réalisé en film de polyimide (tel que le Kapton®).
La présente invention a en outre pour objet un haut-parleur électrodynamique comprenant un châssis dans lequel sont disposés un moteur de haut-parleur électrodynamique tel que décrit ci-dessus et une membrane reliée à l’équipage mobile du moteur.
Ainsi, le déplacement mécanique de l’équipage mobile induit à fréquence audible est transformé en champ acoustique au moyen de la membrane jouant le rôle de surface émissive (également appelée radiateur acoustique).
Pour mieux illustrer l’objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre illustratif et non limitatif, des modes de réalisation préférés, avec référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins :
est une vue en coupe d’un aimant permanent annulaire à magnétisation axiale ;
est une vue en perspective d’un ensemble aimant partiellement tronqué selon un premier mode de réalisation de la présente invention ;
est une vue en coupe de l’ensemble aimant selon le premier mode de réalisation de la présente invention ;
représente différentes courbes de la composante radiale du champ magnétique de l’ensemble aimant du premier mode de réalisation le long de l’axe y pour différentes valeurs de distance de décalage ;
est une vue en coupe d’un moteur de haut-parleur électrodynamique selon le premier mode de réalisation de la présente invention ;
est une courbe à titre d’exemple représentant la composante radiale du champ magnétique du moteur du premier mode de réalisation le long de l’axe y pour une valeur de distance de décalage optimale de 1,7 mm ;
est une vue en coupe d’un ensemble aimant selon un second mode de réalisation de la présente invention ;
est une courbe à titre d’exemple représentant la composante radiale du champ magnétique du moteur du second mode de réalisation le long de l’axe y pour une valeur de distance de décalage optimale de 1,5 mm ;
est une vue en perspective d’un équipage mobile du moteur selon la présente invention ; et
est une vue éclatée d’un haut-parleur électrodynamique selon la présente invention.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté un aimant permanent annulaire à magnétisation axiale 1.
L’aimant permanent annulaire à magnétisation axiale 1 comprend un pôle magnétique nord (N) 1a et un pôle magnétique sud (S) 1b disposés l’un au-dessus de l’autre de manière à générer un champ magnétique à flux axial, les lignes en pointillé sur la représentant la carte de champ associée à cet aimant permanent à magnétisation axiale 1.
L’aimant permanent annulaire 1 possède ainsi une forme d’anneau et présente un champ magnétique à flux axial par rapport à son axe central de symétrie. L’aimant permanent annulaire 1 est ainsi magnétisé par rapport à son épaisseur (c’est-à-dire, sa hauteur le long de son axe central de symétrie), son pôle magnétique nord (N) se trouvant sur l’une de ses deux faces d’extrémité, et son pôle magnétique sud (S) se trouvant sur l’autre de ses deux faces d’extrémité. Si l’on se réfère aux Figures 2 et 3, on peut voir qu’il y est représenté un ensemble aimant 2 selon un premier mode de réalisation de la présente invention. 
L’ensemble aimant 2 comprend une première paire externe d’aimants comprenant un premier aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale 3a et un deuxième aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale 3b, les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b étant identiques et disposés axialement l’un en regard de l’autre en étant espacés l’un de l’autre d’une distance b, les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b ayant la même première épaisseur.
L’ensemble aimant 2 comprend en outre une deuxième paire interne d’aimants comprenant un premier aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale 4a et un deuxième aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale 4b, les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b étant identiques et disposés axialement l’un en regard de l’autre en étant espacés l’un de l’autre d’une distance b + 2Δy, les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b ayant la même deuxième épaisseur qui est inférieure à la première épaisseur des premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b.
Les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b et les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b sont coaxiaux.
Le premier aimant permanent interne 4a est disposé à l’intérieur du premier aimant permanent externe 3a, et le deuxième aimant permanent interne 4b est disposé à l’intérieur du deuxième aimant permanent externe 3b, de telle sorte qu’un entrefer e est formé entre la première paire externe d’aimants et la deuxième paire interne d’aimants.
La polarité magnétique (c’est-à-dire, la direction du champ magnétique nord-sud) du premier aimant permanent interne 4a est opposée à celle du premier aimant permanent externe 3a, la polarité magnétique du premier aimant permanent interne 4a est opposée à celle du deuxième aimant permanent interne 4b, et la polarité magnétique du premier aimant permanent externe 3a est opposée à celle du deuxième aimant permanent externe 3b.
Sur les Figures 2 et 3, les pôles magnétiques nord des premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b sont en regard, et les pôles magnétiques sud des premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b sont en regard. Cependant, un agencement inverse pourrait également être envisagé, à savoir les pôles magnétiques sud des premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b en regard, et les pôles magnétiques nord des premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b en regard, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
La face du premier aimant permanent interne 4a qui est en regard du deuxième aimant permanent interne 4b est décalée d’une distance de décalage prédéfinie non nulle Δy par rapport à la face du premier aimant permanent externe 3a qui est en regard du deuxième aimant permanent externe 3b.
De manière similaire, la face du deuxième aimant permanent interne 4b qui est en regard du premier aimant permanent interne 4a est décalée de la distance de décalage prédéfinie Δy par rapport à la face du deuxième aimant permanent externe 3b qui est en regard du premier aimant permanent externe 3a.
L’ensemble aimant 2 possède ainsi un agencement spécifique d’aimants permanents annulaires 3a, 3b, 4a et 4b présentant un champ magnétique à flux axial, la deuxième paire d’aimants permanents à magnétisation axiale 4a, 4b étant introduite au sein de la première paire d’aimants permanents à magnétisation axiale 3a, 3b en gardant le même axe central de symétrie et en opposition de polarité par rapport à la première paire d’aimants 3a, 3b.
La distance de décalage prédéfinie Δy entre les plans des aimants permanents 4a, 4b de la deuxième paire interne et les plans des aimants permanents 3a, 3b respectifs de la première paire externe permet d’obtenir une valeur sensiblement constante de la composante radiale Bx du champ magnétique dans l’entrefer e de l’ensemble aimant 2. Le décalage des aimants permanents 4a, 4b de la deuxième paire interne par rapport à ceux de la première paire externe permet ainsi d’introduire une fonction dite de compensation (rectification) des non-linéarités de la carte de champ magnétique dans l’ensemble aimant 2.
Selon le mode de réalisation spécifique représenté aux Figures 2 et 3, les aimants annulaires 3a et 3b de la première paire externe d’aimants possèdent, à titre d’exemple, une section rectangulaire, un diamètre externe de 30 mm, un diamètre interne de 25 mm, une épaisseur 4 mm, une distance b entre les faces internes de 6 mm, et un matériau de type Nd-Fe-B (néodyme-fer-bore).
En outre, selon le mode de réalisation spécifique représenté aux Figures 2 et 3, les aimants annulaires 4a et 4b de la deuxième paire interne d’aimants possèdent, à titre d’exemple, une section rectangulaire, un diamètre externe de 17 mm, un diamètre interne de 10,25 mm, une épaisseur de 2,45 mm, une distance b + 2Δy entre les faces internes de 6 mm + 2 Δy, et un matériau de type Nd-Fe-B.
Il est à noter que le rapport de la première épaisseur des aimants externes 3a et 3b sur la deuxième épaisseur des aimants internes 4a et 4b pourrait également être compris entre 1 et 5, sans s’écarter de la présente invention.
La distance de décalage prédéfinie Δy peut être comprise entre 2% et 50% de la première épaisseur des aimants externes 3a et 3b, la deuxième épaisseur des aimants internes 4a et 4b devant toutefois être inférieure ou égale à la première épaisseur moins la distance de décalage prédéfinie Δy.
Dans le mode de réalisation spécifique représenté aux Figures 2 et 3, l’entrefer e possède ainsi un espacement de 4 mm. Cependant, l’entrefer e pourrait également avoir un espacement compris entre 0,5mm et 6mm, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
En outre, les aimants permanents 3a, 3b, 4a et 4b pourraient également être réalisés en au moins un matériau parmi du néodyme, du fer, du bore, du cobalt, du nickel, une céramique ferromagnétique comprenant au moins un oxyde de fer, du samarium, du zinc et de l’aluminium, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté différentes courbes de la composante radiale Bx mesurée du champ magnétique généré par l’ensemble aimant 2 le long de l’axe y (représenté aux Figures 2 et 3), pour différentes valeurs de distance de décalage Δy, en se plaçant à x = 4 mm sur l’axe x (représenté aux Figures 2 et 3).
Comme représenté en Figures 2 et 3, le zéro de l’axe y est défini sur la face supérieure du premier aimant externe 3a de l’ensemble aimant 2. Une sonde est alors déplacée de haut en bas (avec x = 4 mm, où x = 0 mm correspond à la face latérale extérieure gauche de la première paire d’aimants 3a, 3b), jusqu’à ymax défini par la face inférieure du second aimant externe 3b de l’ensemble aimant 2. La présente alors les valeurs de la composante radiale Bx du champ magnétique recueillie au cours de la trajectoire de la sonde, laquelle est traduite par une lecture de gauche à droite sur l’axe y disposé en abscisse.
Une distance de décalage de Δy opérée par pas successifs conduit à un ensemble de mesures dont les différentes valeurs sont représentées sur la .
On constate que, sans décalage (Δy = 0), un facteur de force constant ne peut pas être obtenu.
Outre Δy = 0, trois valeurs de Δy font l’objet d’une représentation sur la (Δy = 1,7 mm, 3,4 mm et 5,1 mm). La meilleure conformation du champ magnétique est observée pour Δy = 1,7 mm avec une course exploitable d’environ 5 mm (lorsque y est compris entre environ 10 mm et environ 15 mm), garantissant alors un facteur de force constant sur cette course.
L’ensemble aimant 2 selon la présente invention permet ainsi d’obtenir une carte de champ magnétique, dont les lignes sont idéalisées vis-à-vis d’une invariance relative du produit B x l lorsque ce dernier est observé en fonction de la position quasi statique de l’équipage mobile du haut-parleur électrodynamique.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté un moteur 5 de haut-parleur électrodynamique comprenant l’ensemble aimant 2 selon le premier mode de réalisation de la présente invention.
Les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b sont séparés par un anneau de matériau non métallique 6 tel qu’un polymère.
Il est à noter que l’anneau 6 pourrait également être remplacé par de l’air, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Bien que non représenté à la , les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b sont également séparés par un anneau de matériau non métallique ou par de l’air.
L’absence de matière métallique ou d’alliages entre les aimants permanents externes 3a et 3b et entre les aimants permanents internes 4a et 4b permet de minimiser la génération de courants de Foucault, de manière à garantir un minimum de pertes énergétiques.
En pratique, tout type de polymère approprié au montage mécanique des aimants dans un boîtier de haut-parleur, par exemple du polychlorure de vinyle (PVC) usiné, peut être utilisé pour séparer les aimants d’une même paire.
L’ensemble aimant 2 de la présente invention permet ainsi d’être utilisé dans un moteur 5 de haut-parleur électrodynamique sans fer impliquant des configurations de champs magnétiques optimales compensées.
Le moteur 5 de haut-parleur électrodynamique comprend l’ensemble aimant 2 et un équipage mobile 7 de type support cylindrique qui est inséré dans l’entrefer de l’ensemble aimant 2 et sur lequel est enroulée une bobine 8 disposée au niveau de l’entrefer de l’ensemble aimant 2.
Le champ magnétique B généré par l’ensemble aimant 2 possède une composante radiale Bx selon l’axe x et une composante axiale By selon l’axe y.
Cette représentation générique du moteur 5 de haut-parleur électrodynamique fait apparaître la bobine 8 évoluant selon l’axe y et soumise à la composante radiale Bx du champ magnétique B généré par l’ensemble aimant 2, le champ magnétique B étant orienté vers le centre de l’ensemble aimant 2, c’est-à-dire vers la bobine 8.
Un courant i modulé en amplitude et en fréquence est injecté dans la bobine 8 portée par l’équipage mobile 7.
L’application de la règle de Maxwell permet de figurer la direction de la force de Lorentz F pilotant le déplacement de l’équipage mobile 7.
L’injection du courant i dans la bobine 8 entraîne ainsi le déplacement de l’équipage mobile 7 selon l’axe y, et donc de la bobine 8, dans l’entrefer de l’ensemble aimant 2 dans lequel la composante radiale Bx du champ magnétique B généré est sensiblement constante (c’est-à-dire, un facteur de force B.l sensiblement constant en tout point de la course utile de la bobine 8 au sein de l’entrefer de l’ensemble aimant 2), ce qui permet une reproduction sonore de qualité comportant beaucoup moins de pertes et de distorsions de non-linéarités que les haut-parleurs classiques.
Le moteur 5 selon la présente invention peut être sollicité en tension (de manière traditionnelle), mais est également particulièrement approprié pour faire l’objet d’un mode de contrôle en courant (pour un régime de sollicitation imposé par un conditionneur électronique de type convertisseur tension/courant).
L’espacement de l’entrefer e de l’ensemble aimant 2 étant majoré par rapport à l’état de la technique, un éventuel déplacement latéral de la bobine 8 de l’équipage mobile 7 (défaut par exemple lié à des non-linéarités résiduelles) est ainsi possible, évitant ainsi tout risque d’accrochage entre l’équipage mobile 7 et les aimants permanents 3a, 3b, 4a, 4b lors d’un fonctionnement temporairement défectueux du moteur 5.
Le moteur 5 selon la présente invention permet ainsi le déplacement, selon l’axe y, de la bobine 8 au sein d’un champ magnétique B le plus homogène possible, mais à une distance significative de chacun des aimants permanents 3a, 3b, 4a, 4b générant ce champ magnétique B. L’espacement important de l’entrefer e et l’absence de matériau ferreux garantissent un minimum de pertes énergétiques associées aux courants de Foucault, ces derniers étant minimisés.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté la composante radiale Bx du champ magnétique B du moteur 5 du premier mode de réalisation mesurée le long de l’axe y pour une valeur de distance de décalage optimale Δy = 1,7 mm.
Une valeur optimale de la distance de décalage Δy est tout d’abord recherchée expérimentalement pour l’ensemble aimant 2 selon le premier mode de réalisation. Il est à noter que cette valeur optimale pourrait également être recherchée de manière automatique, sans s’écarter du cadre de la présente invention. Comme illustré en , une valeur optimale Δy = 1,7 mm est trouvée.
La représente la mesure de la composante radiale Bx du champ magnétique B généré par l’ensemble aimant 2 le long de l’axe y (à x = 4 mm) lorsque Δy = 1,7 mm.
Il apparaît clairement que le débattement opérationnel D1 de la bobine 8 portée par l’équipage mobile 7 sur lequel la composante radiale Bx est sensiblement constante (et donc le facteur de force B.l est sensiblement constant) est d’environ 5 mm, de telle sorte que la course utile à facteur de force constant de la bobine 8 dans l’entrefer est d’environ 5 mm.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté un ensemble aimant 2’ selon un second mode de réalisation de la présente invention.
L’ensemble aimant 2’ selon le second mode de réalisation en est identique à l’ensemble aimant 2 selon le premier mode de réalisation en , à l’exception du fait que le premier aimant permanent externe 3a est constitué de deux sous-aimants permanents annulaires à magnétisation axiale 31a et 32a qui sont superposés et ont le même diamètre interne, le même diamètre externe, la même polarité magnétique et des épaisseurs différentes, et du fait que le deuxième aimant permanent externe 3b est constitué de deux sous-aimants permanents annulaires à magnétisation axiale 31b et 32b qui sont superposés et ont le même diamètre interne, le même diamètre externe, la même polarité magnétique et des épaisseurs différentes.
Le sous-aimant permanent 32a du premier aimant permanent externe 3a est disposé en regard du deuxième aimant permanent externe 3b, et le sous-aimant permanent 32b du deuxième aimant permanent externe 3b est disposé en regard du premier aimant permanent externe 3a.
Les sous-aimants permanents 31a et 31b ont la même épaisseur, et les sous-aimants permanents 32a et 32b ont également la même épaisseur.
A la , l’épaisseur des sous-aimants permanents 32a et 32b est égale à la distance de décalage prédéfinie Δy. Cependant, les sous-aimants permanents 32a et 32b pourraient également être d’une autre épaisseur, sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté la composante radiale Bx du champ magnétique B généré par l’ensemble aimant 2’ selon le second mode de réalisation mesurée le long de l’axe y (à x = 4 mm) lorsque Δy = 1,5 mm.
Etant donné que la valeur de distance de décalage choisie lors de la mesure est Δy = 1,5 mm, il en résulte que l’épaisseur des sous-aimants 32a et 32b est de 1,5 mm, et que l’épaisseur des sous-aimants 31a et 31b est de 2,5 mm.
Il apparaît clairement qu’avec l’ensemble aimant 2’ selon le second mode de réalisation le débattement opérationnel D2 de la bobine 8 sur lequel la composante radiale Bx est sensiblement constante (et donc le facteur de force B.l est sensiblement constant) est d’environ 6 mm, de telle sorte que la course utile à facteur de force constant de la bobine 8 dans l’entrefer est d’environ 6 mm, ce qui est significatif au regard de l’état de la technique, en considérant les dimensions globales du dispositif.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté l’équipage mobile 7 du moteur 5.
L’équipage mobile 7 de type support cylindrique porte la bobine 8 enroulée autour de celui-ci.
L’une des extrémités de l’équipage mobile 7 est reliée à une membrane 11 elle-même reliée à un cadre 9 de forme carrée par l’intermédiaire de plusieurs bras flexibles 10 découpés dans la matière membranaire. L’équipage mobile 7 est ainsi communément appelé « piston ».
L’équipage mobile 7 de type support cylindrique et la membrane 11 peuvent, par exemple, être réalisés en film de polyimide tel que le Kapton®.
Le cadre 9 peut, par exemple, être réalisé en verre epoxy.
Un dôme 12 vient fermer l’ouverture de l’équipage mobile 7 au niveau de son extrémité reliée à la membrane 11.
Le cadre 9 comprend également des pistes électriques 13 permettant d’alimenter la bobine 8 en courant.
La structure de l’équipage mobile 7 est optimisée pour entraîner un minimum de pertes énergétiques au regard de la source électrique chargée du pilotage du dispositif.
Si l’on se réfère à la , on peut voir qu’il y est représenté un haut-parleur électrodynamique 14 selon la présente invention.
Le haut-parleur électrodynamique 14 comprend un châssis 15, constitué d’une première partie de boîtier 15a et d’une seconde partie de boîtier 15b, dans lequel sont montés le moteur 5 (c’est-à-dire, l’ensemble aimant 2 ou 2’ et l’équipage mobile 7 portant la bobine 8), la membrane 11 et le cadre 9.
Le premier aimant permanent externe 3a est monté à l’intérieur de la seconde partie de boîtier 15b, tandis que le deuxième aimant permanent externe 3b et les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b sont montés à l’intérieur de la première partie de boîtier 15a.
Des disques ou anneaux de matériau non métallique (par exemple, en polymère) 16 sont disposés au-dessus du premier aimant permanent interne 4a, en dessous du deuxième aimant permanent interne 4b et entre les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b, de manière à espacer de la distance appropriée b + 2Δy les premier et deuxième aimants permanents internes 4a et 4b.
Les première et seconde parties de boîtier 15a et 15b possèdent des trous 17 au niveau de leurs bords, de manière à permettre la fixation entre elles par vissage des deux parties de boîtier 15a et 15b lorsque ces dernières sont disposées l’une contre l’autre de manière à placer le premier aimant permanent externe 3a à la distance b du deuxième aimant permanent externe 3b.
Dans le mode de réalisation représenté à la , lorsque les première et seconde parties de boîtier 15a, 15b sont assemblées, de l’air sépare les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b. Cependant, les premier et deuxième aimants permanents externes 3a et 3b pourraient également être séparés par un anneau de matériau non métallique 6 (tel que représenté en ), sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Une fois que les deux parties de boîtier 15a et 15b ont été assemblées (l’ensemble aimant 2 étant ainsi agencé tel que représenté à la ), l’équipage mobile 7 est ensuite inséré dans l’entrefer de l’ensemble aimant 2 par l’intermédiaire de la face supérieure de la seconde partie de boîtier 15b, jusqu’à ce que le cadre 9 vienne en butée contre la surface supérieure de la seconde partie de boîtier 15b. Le cadre 9 est alors fixé par vissage à la seconde partie de boîtier 15b par l’intermédiaire des trous 18 formés aux quatre coins du cadre 9.
La bobine 8 se retrouve ainsi au niveau de l’entrefer entre les deux aimants permanents internes 4a et 4b de l’ensemble aimant 2, c’est-à-dire au niveau de la zone à facteur de force constant de l’ensemble aimant 2.
L’injection d’un courant modulé en amplitude et en fréquence dans la bobine 8 par l’intermédiaire des pistes électriques 13 du cadre 9 entraîne un déplacement de l’équipage mobile 7 et donc de la membrane 11 (déplacement rendu possible par l’intermédiaire des bras flexibles 10 reliés au cadre 9).
La membrane 11 joue alors le rôle de surface émissive (ou surface parlante ou radiateur acoustique) et permet de transformer le déplacement mécanique de l’équipage mobile 7 induit à fréquence audible en champ acoustique.
Bien que le moteur 5 représenté aux Figures 9 et 10 soit spécifiquement de type piston, dans un autre mode de réalisation, la bobine 8 pourrait également être directement fixée sur la face arrière de la membrane 11, sans s’écarter du cadre de la présente invention. En outre, la circonférence totale de la membrane 11 pourrait également être reliée au cadre 9 (c’est-à-dire, absence de bras flexibles 10), sans s’écarter du cadre de la présente invention.
Deux familles de prototypes de haut-parleur électrodynamique 14 ont été réalisées et caractérisées :
- une famille 1 présentant un diamètre pour la surface parlante de 17 mm :
  • aimants permanents externes 3a et 3b : diamètre interne 25mm, diamètre externe 30mm, épaisseur 4mm,
  • aimants permanents internes 4a et 4b : diamètre externe 17mm, diamètre interne 10,25mm, épaisseur 2,45mm,
  • Δy = 1,7 mm ; et
- une famille 2 présentant un diamètre pour la surface parlante de 40 mm :
  • aimants permanents externes 3a et 3b : diamètre externe 39mm, diamètre interne 31mm, épaisseur 6,4mm ;
  • aimants permanents internes 4a et 4b : diamètre externe 60mm, diamètre interne 45mm, épaisseur 8,03mm,
  • Δy = 3 mm.
Le Tableau 1 ci-dessous résume les caractéristiques des bobines 8 utilisées pour divers prototypes.
N° H-P R (Ω) Diamètre bobine intérieur (mm) Diamètre bobine extérieur Diamètre fil (mm) avec vernis Diamètre fil (mm) sans vernis Nombre de tours Matériau du fil Champ magnétique en x = 0 (mT)
1 8,4 16 17,1 0,09 0,07 50 cuivre 420
2 9,8 39 40,65 0,09 0,07 25 cuivre 600
3 18 39 60,65 0,07 0,06 25 cuivre 600
4 8,7 16 17,1 0,09 0,07 50 cuivre 420
5 10,4 39 40,65 0,09 0,07 25 cuivre 600
Les haut-parleurs N°1 et N°4 appartiennent à la famille 1 (diamètre de surface parlante de 17mm), tandis que les haut-parleurs N°2, N°3 et N°5 appartiennent à la famille 2 (diamètre de surface parlante de 40mm).
Pour les haut-parleurs N°1 et N°4 de la famille 1, ils ont tous en commun la dimension de leur cadre 9 (25 x 25 mm²) ainsi qu’une bobine 8 de cinquante spires de fil de cuivre (diamètre de 0,07 mm) présentant globalement une résistance électrique d’environ R = 9Ω. Des structures d’un premier type sont développées avec leurs membranes 11 vibrantes en Kapton® tendues sur le cadre 9 de verre époxy. Il en découle que leurs fréquences propres de résonance sont celles des modes de membranes. Les épaisseurs de Kapton® sont respectivement de 25μm, 50μm et 125μm. A contrario, selon des structures d’un second type (développées sur un film de polyimide Kapton® d’une épaisseur de 125 µm), la partie piston est maintenue au moyen de quatre bras flexibles 10 reliés au cadre 9. Les modes de résonance de membranes tendent à disparaître avec les structures en piston. Le piston peut être réalisé en carton ou en polyimide Kapton®.
Pour les haut-parleurs N°2, N°3 et N°5 de la famille 2, ils ont tous en commun la dimension de leur cadre 9 (60 x 60 mm²) et une bobine 8 de vingt-cinq spires de fil de cuivre présentant une résistance électrique conforme aux informations du Tableau 1. Une version comprend une membrane de Kapton® d’épaisseur 25 µm, une autre version comprend un piston de Kapton® d’épaisseur 125 µm, une autre version comprend un piston de carton sur Kapton® d’épaisseur 125 µm, et une autre version comprend un piston constitué de mousse et de carbone sur matériau de fibre de carbone d’épaisseur 200 µm.
Concernant l’évolution fréquentielle du module de l’impédance, il est remarquable de constater, pour chacun des prototypes, l’invariance caractérisant les valeurs en hautes fréquences. Cette caractéristique souligne l’absence de courants dissipatifs de Foucault. De fait, les prototypes sont affectés d’une dissipation minimale.
Le traitement des mesures d’impédances permet d’accéder à la dissociation des parties dissipatives (résistance apparente Re) et des parties d’énergie stockée (self apparente Le).
Il a ainsi été observé, dans le cas d’un haut-parleur classique de l’état de la technique, l’apparition de courants de Foucault lors des fréquences élevées : avec ces courants de Foucault, Re et Le varient avec la fréquence.
A contrario, les prototypes de l’invention sont marqués par l’absence de courants de Foucault, Re et Le ne variant pas avec la fréquence.
Lors de la conception du haut-parleur électrodynamique 14, les paramètres à considérer pour dimensionner le haut-parleur électrodynamique 14 sont la surface et l’amplitude du déplacement de la surface parlante (ou membrane 11), dont dépend directement le niveau sonore généré par le haut-parleur électrodynamique 14. Dans l’hypothèse d’un rayonnement sphérique de la source, la puissance acoustique est reliée au niveau sonore LdB et à la distance de la source lsource, de la manière suivante :
Cette relation est valable en champ lointain, c’est-à-dire si la distance de mesure lsource est grande devant le rayon r de la surface émissive de la source. Selon l’équation, en tenant compte d’un niveau sonore recherché de 80 dB SPL à 10 cm, le haut-parleur 14 doit générer une puissance acoustique de 12,6 μW. La puissance acoustique produite par une seule face du piston est reliée à sa surface et à son déplacement de la manière suivante :
La grandeur ρair est la densité de l’air (1,2 kg/m3 à 20°C), c la vitesse du son dans l’air (343 m/s à 20°C), f la fréquence de vibration de la surface parlante, S sa surface et x son déplacement efficace. Cette équation n’est valable que si le piston se comporte comme une source ponctuelle.
En remplaçant les valeurs de la densité de l’air et de la vitesse du son, et en substituant le déplacement crête xmax au déplacement efficace x dans l’équation, on obtient :
Cette équation fait apparaître les deux degrés de liberté pour agir sur le volume d’air déplacé : le diamètre d de la surface émissive et son amplitude de déplacement xmax.
Pour une course de piston donnée (xmax), il existe une fréquence basse de fonctionnement fc :
- haut-parleur de surface parlante de 17 mm (famille 1) : Øxmax = 4 mm, fc = 75 Hz,
- haut-parleurs de surface parlante de 40 mm (famille 2) : Øxmax = 4 mm, fc = 32 Hz.
Il apparaît ainsi que plus le déplacement du piston est important dans une zone où le champ magnétique est constant, plus le haut-parleur 14 présente une réponse en fréquence basse.
Il est bien entendu que les modes de réalisation particuliers qui viennent d’être décrits ont été donnés à titre indicatif et non limitatif, et que des modifications peuvent être apportées sans que l’on s’écarte pour autant de la présente invention.

Claims (12)

  1. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique, ledit ensemble aimant (2 ; 2’) comprenant une première paire externe d’aimants et une deuxième paire interne d’aimants ;
    la première paire externe d’aimants comprenant un premier aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale (3a) et un deuxième aimant permanent externe annulaire à magnétisation axiale (3b), lesdits premier et deuxième aimants permanents externes annulaires (3a, 3b) étant disposés axialement l’un en regard de l’autre, étant espacés l’un de l’autre et ayant la même première épaisseur ;
    la deuxième paire interne d’aimants comprenant un premier aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale (4a) et un deuxième aimant permanent interne annulaire à magnétisation axiale (4b), lesdits premier et deuxième aimants permanents internes annulaires (4a, 4b) étant disposés axialement l’un en regard de l’autre, étant espacés l’un de l’autre et ayant la même deuxième épaisseur, les premier et deuxième aimants permanents internes annulaires (4a, 4b) et les premier et deuxième aimants permanents externes annulaires (3a, 3b) étant coaxiaux, c’est-à-dire ayant le même axe central de symétrie, le premier aimant permanent interne (4a) étant disposé à l’intérieur du premier aimant permanent externe (3a) et le deuxième aimant permanent interne (4b) étant disposé à l’intérieur du deuxième aimant permanent externe (3b) de telle sorte qu’un entrefer est formé entre la première paire externe d’aimants et la deuxième paire interne d’aimants ;
    la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent interne (4a) étant opposée à celle du premier aimant permanent externe (3a), la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent interne (4a) étant opposée à celle du deuxième aimant permanent interne (4b), et la direction du champ magnétique nord-sud du premier aimant permanent externe (3a) étant opposée à celle du deuxième aimant permanent externe (3b) ;
    caractérisé par le fait que la deuxième épaisseur est inférieure à la première épaisseur ; et
    la face du premier aimant permanent interne (4a) qui est en regard du deuxième aimant permanent interne (4b) est décalée d’une distance de décalage prédéfinie non nulle (Δy) par rapport à la face du premier aimant permanent externe (3a) qui est en regard du deuxième aimant permanent externe (3b), et la face du deuxième aimant permanent interne (4b) qui est en regard du premier aimant permanent interne (4a) est décalée de la distance de décalage prédéfinie (Δy) par rapport à la face du deuxième aimant permanent externe (3b) qui est en regard du premier aimant permanent externe (3a).
  2. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les premier et deuxième aimants permanents externes (3a, 3b) sont séparés par au moins l’un parmi de l’air et un matériau non métallique tel qu’un polymère.
  3. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les premier et deuxième aimants permanents internes (4a, 4b) sont séparés par au moins l’un parmi de l’air et un matériau non métallique tel qu’un polymère.
  4. Ensemble aimant (2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que chacun des premier et deuxième aimants permanents externes (3a, 3b) est constitué de deux sous-aimants permanents annulaires à magnétisation axiale (31a, 32a ; 31b, 32b) qui sont superposés et ont le même diamètre interne, le même diamètre externe, la même direction de champ magnétique nord-sud et des épaisseurs différentes.
  5. Ensemble aimant (2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, pour chacun des premier et deuxième aimants permanents externes (3a, 3b), le sous-aimant permanent (32a, 32b) en regard de l’autre des premier et deuxième aimants permanents externes (3a, 3b) possède une épaisseur égale à la distance de décalage prédéfinie (Δy).
  6. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le rapport de la première épaisseur sur la deuxième épaisseur est compris entre 1 et 5.
  7. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la distance de décalage prédéfinie (Δy) est comprise entre 2% et 50% de la première épaisseur.
  8. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l’entrefer entre la première paire externe d’aimants et la deuxième paire interne d’aimants possède un espacement compris entre 0,5mm et 6mm.
  9. Ensemble aimant (2 ; 2’) pour un moteur de haut-parleur électrodynamique selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les aimants permanents (3a, 3b, 4a, 4b) des première et deuxième paires d’aimants sont réalisés en au moins un matériau parmi du néodyme, du fer, du bore, du cobalt, du nickel, une céramique ferromagnétique comprenant au moins un oxyde de fer, du samarium, du zinc et de l’aluminium.
  10. Moteur (5) de haut-parleur électrodynamique comprenant un ensemble aimant (2 ; 2’) selon l’une des revendications 1 à 9 et un équipage mobile (7) comprenant un support de bobine cylindrique qui est en partie inséré dans l’entrefer de l’ensemble aimant (2 ; 2’) et sur lequel est enroulée une bobine (8) disposée dans l’entrefer de l’ensemble aimant (2 ; 2’).
  11. Moteur (5) de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l’équipage mobile (7) est réalisé en film de polyimide.
  12. Haut-parleur électrodynamique (14) comprenant un châssis (15) dans lequel sont disposés un moteur (5) de haut-parleur électrodynamique selon la revendication 10 ou 11 et une membrane (11) reliée à l’équipage mobile (7) du moteur (5).
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