Tout ce que vous devez savoir sur les haut-parleurs dans la conception audio

7 février 2025

Par Nick Grillone, Same Sky

Tout ce que vous devez savoir sur les haut-parleurs dans la conception audio

Par Nick Grillone

Dans cet article

1. Comment fonctionnent les haut-parleurs ?
2. Spécifications clés des haut-parleurs
3. Considérations relatives à la taille et à la forme des haut-parleurs
4. Considérations relatives au montage des haut-parleurs
5. Considérations environnementales et d’application
6. Mesures et tests clés des haut-parleurs
7. Courbes de réponse en fréquence
8. Matériaux du cône du haut-parleur
9. Types d’aimants de haut-parleur
10. Conclusion

Les haut-parleurs sont des composants indispensables de nos expériences auditives, convertissant des signaux électriques en sons vibrants que nous percevons. Pour saisir les subtilités du fonctionnement des haut-parleurs et de leur influence sur la production sonore, il est essentiel de se pencher sur leurs mécanismes sous-jacents et leurs principaux composants. Cet article de blog propose un aperçu complet de l’utilisation des haut-parleurs dans la conception audio, en abordant leur fonctionnement de base, leurs spécifications clés, les considérations de conception, leurs types de membranes et d’aimants, et bien plus encore.

Comment fonctionnent les haut-parleurs ?

La production des sons dans un haut-parleur implique une interaction précise entre l’électromagnétisme et le mouvement mécanique. Cela commence par un signal électrique, qui est la représentation de la séquence audio que nous voulons entendre. Ce signal peut provenir de diverses sources telles qu’un smartphone, un ordinateur portable ou tout autre appareil audio capable de générer des impulsions électriques. Qu’il s’agisse de la mélodie d’une chanson, du dialogue clair d’un podcast ou des effets sonores immersifs d’un film, le signal est une représentation électrique de l’expérience auditive produite par les haut-parleurs.

À l’intérieur du haut-parleur, des composants clés entrent en jeu. Les composants de base sont la bobine mobile et l’aimant permanent. La bobine mobile, faite de fil, est reliée à un cône flexible ou membrane. Cette bobine mobile entoure un aimant permanent robuste, jetant les bases de la production du son. Lorsque le signal électrique circule à travers les fils du haut-parleur, il alimente la bobine mobile, initiant une série d’actions régies par l’électromagnétisme. Cette énergie électrique crée un champ magnétique autour de la bobine, la polarité reflétant le signal électrique changeant.

L’essence du fonctionnement des haut-parleurs réside dans l’interaction entre ces champs magnétiques. Au fur et à mesure que les champs fluctuent, ils se repoussent et s’attirent alternativement, propulsant la bobine mobile et sa membrane attachée dans un mouvement d’oscillation rapide. Le mouvement oscillant interagit avec les molécules d’air environnantes, les faisant vibrer en synchronisation avec le mouvement de la membrane.

Ces molécules d’air vibrantes génèrent des ondes de pression qui se propagent dans l’air et finissent par atteindre nos oreilles sous forme de son. Notre cerveau interprète ces ondes de pression comme des signaux auditifs, complétant ainsi le processus de perception du son.

Principe de base du fonctionnement d’un haut-parleur

En creusant plus profondément dans l’anatomie des haut-parleurs, on découvre plusieurs composants clés qui fonctionnent en harmonie pour produire du son : membrane, bobine mobile, plaque de champ, aimant, saladier et culasse, et carte de circuit imprimé (PCB). Voici une illustration qui met en évidence la structure du haut-parleur et détaillée les composants individuels d’un haut-parleur typique.

Structure éclatée du haut-parleur

L’illustration présentée ici met en évidence la structure d’un haut-parleur typique une fois que tous les composants ont été assemblés.

Structure du haut-parleur assemblé

Spécifications clés des haut-parleurs

Les bases du fonctionnement et de la structure des haut-parleurs étant désormais couvertes, il existe une variété de spécifications clés et de critères de performance à garder à l’esprit lors de la sélection d’un haut-parleur pour votre conception.

• Niveau de pression acoustique (dB) : Le niveau de pression acoustique (Sound Pressure Level SPL) mesure l’intensité des ondes sonores dans l’air, ou l’intensité d’un son. Le SPL est influencé par des facteurs tels que la distance par rapport à la source sonore et les conditions environnementales. Par convention, les décibels (dB) sont utilisés pour mesurer le SPL, comme détaillé dans notre article de blog, Les bases du NPA et du dB. Le SPL est également un paramètre essentiel pour l’évaluation des niveaux de bruit dans divers contextes, des environnements industriels aux zones résidentielles, fournissant des informations précieuses pour le contrôle et la régulation du bruit.
• Entrée maximale (W) : Puissance maximale qui peut être utilisée pendant une très courte période de temps sans endommager définitivement le haut-parleur.
• Entrée nominale (W) : La puissance d’entrée nominale est la puissance que le haut-parleur peut gérer en toute sécurité lors d’une utilisation continue.
• Impédance (Ohm) : L’impédance est la quantité de résistance au flux de courant venant d’un amplificateur. Plus l’impédance est faible, plus le haut-parleur consommera d’énergie. Il est important d’adapter l’impédance du haut-parleur à ce qui est compatible avec l’amplificateur pour garantir des performances optimales et éviter tou dommage potentiel à l’équipement. L’adaptation de l’impédance permet également d’obtenir un transfert de puissance efficace et de maintenir la fidélité de la reproduction audio.
• Fréquence de résonance (Hz) : C’est la fréquence à laquelle un haut-parleur vibre le plus efficacement. Les spécifications de fréquence de résonance permettent de comparer de façon approximative la réponse en basse fréquence de différents haut-parleurs. Notre blog sur  la résonance et la fréquence de résonance dans la conception audio permet d’approfondir ce sujet.
• Taille (mm) : La gamme de fréquences est déterminée par la taille du haut-parleur. Les haut-parleurs plus petits fonctionneront de manière optimale à des fréquences plus élevées, tandis que les haut-parleurs plus grands fonctionneront mieux dans des gammes de fréquences plus basses. Les basses fréquences sont utilisées pour les basses profondes, tandis que les fréquences moyennes sont utilisées pour la reproduction des voix.
• Total Q : Cette valeur Theile-Small sert de référence générale pour déterminer le type de boîtier idéal. Une valeur Q totale de 0,4 ou inférieure suggère que le haut-parleur est le mieux adapté à un boîtier ventilé. Si le Q total se situe entre 0,4 et 0,7, il est recommandé d’utiliser un boîtier scellé. Un Q total de 0,7 ou plus indique que le haut-parleur est adapté aux configurations à l’air libre, à dos semi-ouvert ou à déflecteurs infinis. Néanmoins, il existe des exceptions à ces directives, et il est important d’évaluer tous les paramètres pertinents.

Considérations relatives à la taille et à la forme des haut-parleurs

En général, les haut-parleurs avec de plus grandes surfaces produiront des niveaux sonores plus élevés pour le même signal d’entrée et auront également une meilleure réponse en basse fréquence. Les performances des haut-parleurs plus petits peuvent être considérablement améliorées à l’aide de la pré-distorsion DSP ; Cette technique est souvent incorporée dans la conception des téléphones portables et des ordinateurs portables. Une petite amélioration des performances peut être obtenue avec la conception du boîtier entourant l’arrière du haut-parleur. Pour  plus de détails, consultez notre article de blog sur les enceintes de haut-parleurs.

La forme du cône du haut-parleur est souvent déterminée par l’espace d’installation disponible. Un cône de haut-parleur de forme ovale permet d’intégrer une plus grande surface de cône de haut-parleur dans un espace non carré. Le graphique de réponse en fréquence du haut-parleur doit être examiné pour déterminer si la taille ou la forme du haut-parleur affecte négativement les performances souhaitées du haut-parleur.

Considérations relatives au montage des haut-parleurs

En ce qui concerne les configurations de connexion, les haut-parleurs sont disponibles en différentes options en fonction des besoins de l’application, notamment des fils conducteurs, trous traversants, pastilles de soudure, etc. Notre article de blog, Directives et meilleures pratiques de montage des haut-parleurs, aborde plus en détail le montage des haut-parleurs.

Styles de montage courants de haut-parleurs

Considérations environnementales et d’application

Les haut-parleurs peuvent être dotés d’une variété d’indices de protection contre les infiltrations (IP) pour les conceptions où il faut tenir compte de l’humidité et des contaminants trouvés dans les environnements difficiles. Same Sky propose également des haut-parleurs de qualité médicale conçus pour répondre aux normes réglementaires CEI 60601-1-8 pour une utilisation dans les systèmes d’alarme médicaux. Pour plus de détails, consultez notre article de blog Guide de la norme CEI 60601-1-8 et des systèmes d’alarme médicaux .

Dans un autre ordre d’idées, les haut-parleurs ne reçoivent pas de durée de vie nominale car ils sont conçus pour offrir de nombreuses années de performances fiables lorsqu’ils sont utilisés dans le cadre de leurs spécifications. Contrairement à de nombreux autres composants électroniques, les haut-parleurs n’ont pas de fin de vie fixe. Lorsqu’ils fonctionnent dans les limites prévues, ils peuvent fournir un son de haute qualité pendant des décennies, ce qui rend difficile la définition d’une durée de vie spécifique.

Mesures et tests clés des haut-parleurs

Une fois qu’un haut-parleur a été sélectionné à l’aide des spécifications clés mentionnées ci-dessus, plusieurs mesures et tests supplémentaires peuvent être effectués pour s’assurer qu’un haut-parleur est correctement intégré dans une conception et fonctionne selon les spécifications. Les services de conception audio de Same Sky  sont disponibles pour aider les ingénieurs avec ces mesures et tests clés énumérés ci-dessous.

• Réponse en fréquence : Une représentation visuelle de la façon dont un composant audio reproduit la gamme audible du son.
• Balayage de fréquence échelonné : il s’agit d’une réponse en fréquence similaire, mais elle cible spécifiquement les fréquences d’alias pour une réponse en fréquence plus complète.
• Niveau et gain : Le niveau est essentiel pour déterminer la quantité d’énergie que l’appareil peut produire. Le gain est une mesure du niveau de sortie de l’appareil divisé par le niveau d’entrée de l’appareil.
• Distorsion harmonique totale plus le bruit (THD+N) : La distorsion harmonique est l’ajout indésirable de nouvelles tonalités au signal audio. THD+N est une note de performance unique pratique et révélatrice, largement comprise et acceptée.
• Phase : Les mesures de phase sont utilisées pour décrire le décalage temporel positif ou négatif dans un cycle d’une forme d’onde périodique mesurée à partir d’une forme d’onde de référence. Les deux mesures les plus courantes sont la phase d’entrée/sortie et le déphasage intercanal (pour plusieurs haut-parleurs dans un système).
• Rub & Buzz : Un test de haut-parleur qui peut détecter la présence de produits harmoniques à haute fréquence produits en réponse à un stimulus à basse fréquence.
• Thiele-Small : un ensemble de valeurs qui capture l’impédance complexe d’un haut-parleur testé et fournit des paramètres électromécaniques calculés qui définissent les performances basse fréquence des haut-parleurs. Les résultats de Thiele-Small, qui incluent le Q total, décrivent avec précision les interactions entre le haut-parleur et le boîtier et sont essentiels à la fois pour la conception du système de haut-parleurs et les tests de production.
• Impédance : L’impédance d’un haut-parleur est une mesure de l’opposition qu’un haut-parleur présente au flux d’un signal de courant alternatif (CA), tel que le signal audio d’un amplificateur. Il est mesuré en ohms et indique la résistance du haut-parleur au signal électrique.

Courbes de réponse en fréquence

Pour les haut-parleurs, le mot « répondre » représente la capacité du haut-parleur à recréer les fréquences d’entrée. Lorsque ces données sont tracées, elles forment un graphique de réponse en fréquence qui fournit une représentation visuelle de l’amplitude en fonction de la fréquence générée par le haut-parleur. L’axe vertical représente le niveau du son en décibels (dB) et l’axe horizontal représente la fréquence en Hertz (Hz). Un haut-parleur parfait recréerait chaque fréquence sans atténuation ni gain. Cependant, il n’y a pas de haut-parleur parfait. La courbe de réponse en fréquence est une série de points de données qui représentent la façon dont un haut-parleur réagit à une gamme de fréquences d’entrée. Nos deux articles de blog sur la gamme de fréquences audio et  la fréquence de résonance traitent plus en détail les courbes de réponse en fréquence.

Exemple de graphique de réponse en fréquence

Matériaux de la membrane du haut-parleur

Le type de matériau utilisé pour la membrane du haut-parleur, entre autres facteurs, affecte la qualité du son. Il est plus précis d’évaluer cela en écoutant et en expérimentant plutôt que de se fier uniquement aux chiffres et aux données. La durabilité des matériaux de cône courants est également importante à prendre en compte. Généralement, le plastique est le plus durable, suivi du papier et du tissu, puis de la mousse. Cependant, la durée de vie réelle des haut-parleurs dépend de facteurs tels que l’humidité, l’environnement et les spécificités de l’application. Voici un bref aperçu des matériaux de cône les plus courants.

Membranes en plastique

Les membranes de haut-parleur en plastique sont populaires pour leur durabilité et leur résistance aux facteurs environnementaux tels que la poussière et l’eau. Elles sont également faciles à fabriquer avec des tolérances précises, ce qui permet d’obtenir de meilleures performances en termes de réduction de la distorsion et de qualité sonore. Les membranes en plastique absorbent et dissipent rapidement l’énergie mécanique, présentant de bonnes propriétés d’amortissement similaires à celles des cônes en papier traditionnels.

Bien qu’ils soient souvent appelés plastiques, ces matériaux englobent divers composites. Le coût varie en fonction de facteurs tels que l’épaisseur, la technique de pressage, la taille et la résistance à la température.

Membranes en papier et tissu

Les cônes en papier et en tissu offrent un son excellent et un auto-amortissement efficace, mais peuvent souffrir de l’humidité. Ils sont fabriqués à partir de diverses fibres de bois avec des additifs comme le coton et la laine, mélangés pour des caractéristiques sonores spécifiques. Ce mélange renforce les forces et compense les faiblesses, ce qui permet d’obtenir des sons diversifiés. Ils sont principalement utilisés dans les haut-parleurs plus grands en raison de leur poids réduit.

Membranes en mousse

La mousse est rarement utilisée comme seul matériau pour les membranes et est généralement assemblée avec d’autres matériaux tels que le métal, le plastique ou le papier. Dans les membrenes composites, de la mousse est incorporée dans des couches intercalaires. Sa fonction principale est d’améliorer la perte interne, une caractéristique physique essentielle des haut-parleurs.

Une perte interne élevée permet de minimiser les caractéristiques sonores inhérentes aux matières premières. Par exemple, les membranes métalliques présentent une perte interne plus faible, ce qui les rend susceptibles de produire des sons métalliques. À l’inverse, les cônes en papier possèdent une perte interne plus élevée, ce qui se traduit par un son plus naturel avec une influence minimale du timbre des matières premières.

Types d’aimants de haut-parleur

Un autre élément clé de la construction et des performances globales d’un haut-parleur est le type d’aimant. Vous trouverez ci-dessous les types d’aimants les plus couramment utilisés dans les haut-parleurs, chacun énumérant leurs principaux avantages, utilisations et les compromis qui en résultent.

Aimants en ferrite

Les aimants en ferrite, également appelés aimants céramique, sont des aimants peu coûteux qui conservent bien leur force magnétique. Ils sont lourds et ne sont généralement pas utilisés pour les applications portables. Les haut-parleurs qui intègrent des aimants en ferrite auront tendance à mieux sonner lorsqu’ils sont utilisés près de leur niveau de capacité maximale. Les aimants en ferrite sont également bien adaptés aux applications sujettes à l’humidité car ils sont naturellement résistants à la corrosion.

Aimants AlNiCo

Les aimants AlNiCo ont été les premiers aimants utilisés dans les haut-parleurs et c’est ce qui a contribué à leur donner un son classique et doux. Les haut-parleurs qui intègrent des aimants AlNiCo sont une option plus chère que les haut-parleurs à base de ferrite, mais ils sont moins sujets à la fissuration. Ces aimants sont certainement moins courants que les aimants en néodyme de nos jours, mais ils trouvent toujours des utilisations dans des applications haut de gamme où un réglage de précision est important.

Aimants en néodyme (NdFeB)

Les aimants en néodyme, également connus sous le nom d’aimants à terres rares, offrent l’intensité de champ la plus élevée de tous les aimants permanents connus. Les haut-parleurs fabriqués avec des aimants NdFeB offrent une bonne réponse en fréquence, sont légers et sont beaucoup plus petits que les haut-parleurs qui intègrent des aimants en ferrite ou en AlNiCo. Cela en fait un aimant idéal pour les petits haut-parleurs qui doivent produire un SPL élevé. Le principal inconvénient des aimants en néodyme est qu’ils sont plus susceptibles de se briser.

Aimants Samarium Cobalt

Les aimants en samarium sont moins couramment utilisés que les autres types d’aimants en raison de leur coût plus élevé. Leur principal avantage est leur résistance à la corrosion et leur rendement stable face à des variations de température extrêmes, ce qui les rend idéaux pour les environnements difficiles. Ils ont tendance à se briser et ne sont pas aussi puissants que les aimants au néodyme. Cependant, le coût reste leur plus grand inconvénient.

Conclusion

Comprendre la mécanique des haut-parleurs peut permettre aux ingénieurs de créer des expériences auditives immersives. Comme nous l’avons démontré tout au long de cet article de blog, il existe de nombreux composants et spécifications qui peuvent entrer dans la sélection appropriée des haut-parleurs. Cependant, même avec une meilleure compréhension des paramètres clés des haut-parleurs, rien ne peut remplacer entièrement les tests et les mesures appropriés du haut-parleur sélectionné dans votre conception finale. Heureusement, la gamme complète de haut-parleurs miniatures et  de haut-parleurs standard de Same Sky  , ainsi que nos services de conception audio,  sont là pour vous aider !

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