HAUT-PARLEURS GRAVE MEDIUM / MEDIUM ATOHM “ABSOLUTE SERIES”

La membrane, les suspensions.

De très nombreuses investigations ont amené la société Atohm, notre partenaire de R&D dirigée par Thierry COMTE, à comprendre que les propriétés du matériau de la membrane influencent certes la réponse en fréquences mais que le résultat global est très sensiblement conditionné par la rigidité et la longueur du support de bobine, par la masse du bobinage, par la nature et la quantité de colle utilisée pour la jonction support/ membrane ainsi que par la géométrie, la masse et les propriétés viscoélastiques de la suspension périphérique. Le mouvement de la membrane en parfait «piston » n’existe que pour une bande de fréquence limitée. La directivité d’un parfait piston reste toujours proportionnelle aux dimensions de sa surface émissive (et non à sa rigidité).

Les divers modes de fractionnement du cône mais aussi de la suspension augmentent ou diminuent la pression sonore selon leurs amplitudes et leurs phases. Au-delà de certaines fréquences, le support de bobine cesse de transmettre le mouvement et se déforme sous l’action conjointe du cône et de la masse du bobinage. Ce flambage participe également à renforcer ou annuler le déplacement global du cône (d’une certaine manière le support se comporte comme un « ressort »). L’ensemble des pièces mobiles forme un « tout » indissociable. En tant que tel, il convient d’optimiser ce « tout » en fonction des objectifs à atteindre en n’oubliant pas les impératifs de fiabilité et de reproductibilité à garantir.

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Amplitude de mouvement

 

Le mouvement du cone est parfaitement uniforme (couleur bleu). Aux basses fréquences, seule une partie de la surface de la suspension est emissive. À 1000Hz la totalité de la surface de la suspension est emissive (ce qui provoque un excès d’amplitude dans la réponse en fréquence). Le profil spécifique (Technologie LDS) compense cet excès d’amplitude en freinant une partie de la surface de la suspension (couleur rouge)

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Les développements visent à obtenir des haut-parleurs grave-médium dont la réponse en fréquence soit très proche de l’idéal théorique sur une bande comprise entre 30 Hz et 4000 Hz. Les haut-parleurs sont dotés d’une membrane en alliage spécifique dans le but de repousser les fractionnements audibles au delà de cette bande utile. Dans le même but, la membrane est associée à un support de bobine kapton/nomex afin que le mouvement soit parfaitement transmis dans cette bande de fréquence nominale. Au-delà, ce support et le joint de colle associé limitent la transmission et absorbent une partie de l’énergie. Les haut-parleurs sont également pourvus d’une suspension périphérique au profil particulier favorisant un fractionnement progressif (Technologie LDS™) sans accident marqué dans la bande utile (typiquement entre 700 Hz et 1800 Hz).

De très simulations (méthode des éléments finis) et mesures par interférométrie laser, ont aboutit à l’optimisation des interactions entre les différents matériaux et au développement de géométries innovantes des pièces constitutives du haut-parleur. La réponse en fréquence des haut-parleurs se caractérise par une exceptionnelle linéarité sur la bande utile. Au-delà, la réponse est corrigée par l’utilisation d’une cellule de filtrage adaptée. Grâce à l’emploi de matériaux rigides et de colles parfaitement stables, les performances sont pleinement reproductibles d’une unité à une autre avec un haut niveau de précision (ce qui n’est pas le cas avec une membrane en papier ou en kevlar® par exemple).

L’optimisation des non-linéarités

 

Les très nombreuses études visent aussi à approcher des paramètres de fonctionnement idéaux lors du déplacement du cône du HP. Le haut-parleur est un ensemble électromécanique doté d’une membrane qui reproduit le signal musical en oscillant autour de son point de repos (point 0). Dans l’absolu, la membrane du haut-parleur doit donc osciller de manière parfaitement symétrique autour de ce point. Son mouvement doit être fidèle et proportionnel au signal d’excitation. Pourtant, les éléments constitutifs (suspensions) et les caractéristiques électromécaniques (facteur de force, inductance…) du moteur sont sujets à des variations qui modifient les mouvements « théoriques » de la membrane. Ces variations, également appelées « non linéarités », affectent l’excursion de l’équipage mobile et génèrent ce que l’on nomme plus communément la distorsion. Ce sont elles qui déterminent et limitent les capacités en excursions de l’équipage mobile.

Partant de ce postulat, une attention toute particulière a été portée à la conception des transducteurs en utilisant de puissants moyens de modélisation afin de réduire toutes formes de distorsion. Les différents paramètres rentrant en ligne de compte, notamment la symétrie et la linéarité du coefficient de raideur des suspensions (courbe coefficient de raideur dynamique des suspensions ), celle du facteur de force résultant du courant traversant la bobine et du flux magnétique concentré dans l’entrefer (courbe facteur de force dynamique) ainsi que la stabilité de la valeur inductive de la bobine du haut-parleur (courbe variation dynamique d’inductance) ont fait l’objet d’optimisations très poussées.

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Sur la courbe à droite le système Klippel® cartographie le coefficient de raideur résultant de la somme des suspensions périphérique et centrale (Kms) en fonction de l’excursion de l’équipage mobile (X). A gauche du point 0, l’excursion est négative correspondant à l’entrée de la bobine dans le moteur et à droite du point 0, l’excursion est positive correspondant à la sortie de la bobine dans le moteur. La courbe bleue représente la mesure d’un haut-parleur concurrent. Nous pouvons noter une asymétrie importante du coefficient. Le point minimal de raideur est situé à +2mm environ du point de repos. Lors de ses excursions, la membrane aura donc tendance « à rejoindre » ce point minimal au lieu d’osciller librement autour du point 0. La courbe rouge représente la mesure du LD150. Elle présente une quasi-symétrie du coefficient de raideur : meilleure tenue en puissance mécanique, capacités dynamiques accrues et réduction de la distorsion.

Le couple suspension – spider.

La membrane du haut-parleur est tenue par ses suspensions (suspension périphérique et spider). Ces suspensions constituent un ressort de rappel. Dans l’absolu le coefficient de raideur de cet ensemble devrait être parfaitement constant et symétrique ( F= k.X ). Or dans la pratique ce dernier n’est ni constant ni symétrique. La force de rappel engendrée n’est donc plus directement proportionnelle au déplacement demandé. D’une certaine manière, cela empêche la membrane de se placer précisément à la position théorique telle que l’action de la bobine mobile essaye de l’y contraindre.

Fruits de longues recherches et expérimentations, les suspensions périphériques et les spiders des haut-parleurs « Absolute Series » ont été optimisés pour obtenir un coefficient de raideur sensiblement constant et parfaitement symétrique. Leur géométrie respective et leur sommation mécanique permettent de larges capacités en excursion. De plus, pourvue d’un profil spécifique (technologie LDS™), la suspension fractionne progressivement aux fréquences médium (entre 700 et 1800 Hz). Enfin les matériaux constitutifs ont été sélectionnés pour garantir une grande fiabilité ainsi qu’une parfaite stabilité dans le temps.

Réduire la distorsion, c’est rendre le coefficient de raideur le plus linéaire et le plus symétrique possible sur la plage d’excursion du HP.

Le moteur : Technologie FWI® (Force Without Inductance)

La force motrice appliquée à la membrane (BL) résulte du courant électrique circulant dans le bobinage et du flux magnétique produit par l’aimant dans l’entrefer. Dans l’absolu, ce flux devrait être constant quelque soit la position de la bobine. Or dans la pratique, il est fortement dépendant de la géométrie des pièces polaires d’une part et il est modulé par les composantes alternatives générées par la bobine mobile d’autre part.

En effet, sous l’action du courant, la bobine génère son propre champ magnétique. Ce n’est pas ce dernier qui est mis à contribution pour créer la force motrice. Ce champ magnétique alternatif agit comme un parasite et perturbe sensiblement le flux continu de l’aimant. Alternativement, il augmente ou diminue la valeur du flux continu dans l’entrefer. De surcroit, cette perturbation est proportionnelle au courant électrique circulant dans la bobine.

Réduire la distorsion, c’est rendre le flux magnétique du moteur constant et symétrique en toute circonstance. C’est également contraindre le flux parasite produit par la bobine mobile à rester le plus faible possible sur une large plage d’excursion.
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Simulation électromagnétique par la méthode des éléments finis.

Optimisé par la méthode des éléments finis, le moteur à technologie FWI™ a été conçu de manière à obtenir un important facteur de force, parfaitement symétrique sur une très large plage d’excursion. Les moteurs sont dotés de puissantes ferrites et de pièces polaires dessinées pour conduire un maximum de flux magnétique. La densité de flux atteint 11000 gauss dans l’entrefer d’un LD150 (hauteur 6mm) et 11600 gauss dans l’entrefer d’un LD180 (hauteur 6mm). Les interactions parasites de la bobine mobile ont été prises en compte de manière à obtenir une valeur d’inductance très faible et constante quelque soit sa position. Le noyau et la bague cuivre qui le coiffe dispose d’une géométrie innovante. Leurs proportions et leurs dimensions ont fait l’objet de très nombreuses investigations (simulations et prototypes) pour satisfaire ces critères électromagnétiques, mais également pour permettre une évacuation optimale de calories générées par la bobine mobile et assurer la bonne décompression du moteur.

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Sur les deux courbes, le système KlippelÒ cartographie le facteur de force du moteur (BL) et la valeur d’inductance de la bobine en fonction de l’excursion de l’équipage mobile (X). A gauche du point 0, l’excursion est négative correspondant à l’entrée de la bobine dans le moteur et à droite du point 0, l’excursion est positive correspondant à la sortie de la bobine du moteur. 

Facteur de Force

La courbe bleue représente la mesure d’un haut-parleur concurrent de taille semblable. Nous pouvons noter une importante asymétrie de ce facteur. Il reste relativement constant lorsque la bobine sort du moteur mais il chute très rapidement quand cette dernière rentre dans l’entrefer. Le mouvement de la membrane est fortement dégradé sur les alternances négatives. Lors des grandes excursions de la bobine le comportement devient instable. Le bobinage a tendance « à fuir » le point milieu et à osciller au fond du moteur (Là où la valeur de B/L est la plus faible) au lieu d’osciller librement autour du point 0.

Les capacités en excursion et en dynamique de cette unité sont largement limitées. La distorsion apparaît même aux petites excursions. La courbe rouge représente la mesure du LD150. Cette courbe présente un plateau beaucoup plus large ainsi qu’une parfaite symétrie. Les capacités en excursions sont importantes et la bobine oscille toujours autour du point de référence (aucune instabilité). La distorsion par harmonique reste très faible sur une large plage d’excursion.

Réduire la distorsion, c’est rendre le coefficient de raideur le plus linéaire et le plus symétrique possible sur la plage d’excursion du HP.
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Valeur d’inductance de bobinage

La courbe bleue représente la mesure du même haut-parleur que pour la précédente mesure. Nous pouvons noter une importante variation et une asymétrie totale de la valeur d’inductance. Cette dernière est élevée quand la bobine plonge dans le moteur et elle est faible lorsqu’elle en sort. En fonction de l’amplitude de courant la traversant, la bobine est irrémédiablement « attirée » au fond du moteur (là où la valeur d’inductance est la plus élevée) au lieu d’osciller librement autour du point 0. Ce phénomène se traduit par la création de distorsion harmonique de rang 3. De plus, cette variation d’inductance conduit à une importante fluctuation de l’impédance dynamique (Fluctuation d’environ 2ohms à 1000 hz lorsque ce haut parleur de 4 ohms est sollicité à +/-4mm aux basses fréquences).

Cela se traduit par un taux élevé de distorsion par intermodulation à laquelle peut s’ajouter de la distorsion « de courant » si l’amplificateur n’est pas conçu pour faire face à de telles fluctuations.
La courbe rouge représente la mesure du LD150. Elle témoigne de la quasi linéarité de l’inductance de la bobine mobile (et donc d’une parfaite symétrie). La bobine n’est donc pas « attirée » au fond du moteur et oscille librement autour du point 0. Le taux de distorsion par harmonique de rang 3 est abaissé dans de fortes proportions. En outre, la variation étant pratiquement nulle, l’impédance dynamique de cette unité reste parfaitement stable. La distorsion d’intermodulation est donc très faible et l’amplificateur travaille dans de bien meilleures conditions.

Le saladier

 

Les haut-parleurs ATOHM « Absolute Series » sont pourvus de saladiers exclusifs réalisés en aluminium injecté. Leurs formes ont été dictées par leurs fonctions et leurs dessins tiennent compte des paramètres mécanique, acoustique, thermique et aussi esthétiques.

D’une très grande rigidité, les saladiers Atohm offrent une référence mécanique parfaite à l’ensemble des pièces constitutives du haut-parleur. Grâce à sa couronne épaisse et nervurée, le haut parleur est solidement fixé au châssis de l’enceinte. Au nombre de 18, les fines branches favorisent un excellent écoulement de l’onde arrière. Le volume arrière du spider est pourvu de petits ajourages suffisamment importants pour ventiler cet espace tout en limitant l’intrusion fortuite de quelconque débris. Le moteur est vigoureusement fixé au saladier sur un large plan d’appui par l’intermédiaire de vis et d’une colle spécifique. Enfin, grâce à l’emploi d’aluminium et son importante surface développée, le saladier participe activement au refroidissement du haut-parleur en évacuant les calories accumulées dans le moteur. Cela conduit à préserver l’efficacité (ou le rendement) du haut-parleur pendant les périodes d’écoutes à fort niveau.