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Les paramètres Thiele and Small

Les paramètres "Thiele and Small" font communément référence à un ensemble de caractéristiques électro-mécaniques qui définissent la performance d'un haut-parleur dans les basses fréquences. Ces paramètres sont publiés dans une documentation spécifique, fournie par les fabricants de haut-parleurs à destination des fabricants d'enceintes (ou bureau d'études) afin de sélectionner un ou plusieurs modèles correspondants à leur besoin. On utilise également ces paramètres pour rechercher des haut-parleurs équivalents pour remplacer un vieux haut-parleur plus disponible dans une enceinte. Beaucoup de ces paramètres sont définis de façon précise à partir de la fréquence de résonance (paramètre "Fs"), mais cette approche est généralement applicable dans le cas d'une membrane se déplaçant comme un piston, cela correspond aux déplacements de la membrane d'avant en arrière sans rupture (cf paramètre Xmax dans paragraphe N°6).


En utilisant ces paramètres, un fabricant d'enceintes peut simuler la position, la rapidité et l'accélération de la membrane, l'impédance d'entrée et le son en sortie d'un système composé d'un haut-parleur et d'une caisse. Plutôt que d'essayer tous les haut-parleurs du catalogue, le fabricant de l'enceinte pré-sélectionne les modèles correspondant à la performance recherchée, il peut éventuellement exprimer un besoin spécifique pour lequel une fabrication sur mesure est nécessaire.
Mr A. Neville Thiele (de "Australian Broadcasting Commission") et Richard H. Small (de l'Université de Sydney) sont les précurseurs dans ce domaine, d'où le nom des paramètres « Thiele and Small ».


Les paragraphes de la page




1 - L'historique


Les notes de "Chester W. Rice and Edward W. Kellogg" datant de 1925, nourries par les avancées en radio et électroniques, ont valorisé les haut-parleur à radiation directe. En 1930, "A. J. Thuras" de "Bells Labs" déposa un brevet (US Patent No. 1869178) nommé "Sound Translating Device" (Procédé de Traduction du Son, principalement pour les caisses à évents). A cette époque, ceci fut la preuve de l'intérêt grandissant pour la conception d'enceintes de différents modèles.


Les progrès réalisés dans le domaine de la conception de caisses suivant des méthodes analogiques, par des acousticiens académiques comme Harry F. Olson ont continué jusqu’en 1954 quand Leo L. Beranek de l’Institut de Technologie de Massachussets aux USA (Massachussets Institute of Technology) publia des notes intitulées « Acoustiques » (Acoustics), livre qui résume et développe l’électroacoustique de cette période. Ainsi, J.F. Novak a utilisé les hypothèses simplificatrices et novatrices dans une analyse en 1959 qui a mené à une solution pratique qui permet de définir la réponse d’un haut-parleur donné dans une caisse. Ceci a également permis de vérifier leur applicabilité par la mesure empirique. En 1961, s’appuyant largement sur le travail de Novak, A.N. Thiele décrit alors une série d’alignements de caisses closes et à évent (par exemple, les conceptions d’enceintes basées sur la théorie des filtres électriques, avec un comportement bien caractérisé, incluant la réponse en fréquence, la puissance électrique admissible, l’excursion du cône, etc…). Cette publication dans un journal australien demeura relativement méconnue en dehors de l’Australie jusqu’à ce qu’il soit republié en 1971 dans « Journal of the Audio Engineering Society » (le Journal de la Societé d’Ingénierie Audio). Il est cependant important de noter que Thiele a négligé les pertes liées à la caisse, et bien que ce fut une grande avancée pour cette époque, ses tableaux d’alignements ont peu d’utilité à présent.


Beaucoup d’autres spécialistes ont continué à développer des aspects divers et variés de conception de caisses pour haut-parleurs dans les années 60 et le début des années 70. De 1968 à 1972, J/E. Benson a publié dans le Journal Australien trois articles analysant de façon détaillée les conceptions de caisses closes et à évent, mais aussi les haut-parleurs passifs (passive radiator). En juin 1972, Richard H. Small publia une série d’articles très influents dans « Journal of the Audio Engineering Society » (le Journal de la Societé d’Ingénierie Audio) qui réaffirmait et complétait le travail de A.N. Thiele. Ces articles ont été tout d’abord publiés en Australie, là où A.N. Thiele a suivi ses études avec son maître de thèse J/E. Benson. Les travaux de Benson et Small étaient très proches mais différaient par leur méthode, Benson utilisant des programmes informatiques et Small des méthodes analogiques. Leurs analyses prenaient ainsi en compte les pertes liées à la caisse, contrairement aux travaux de A.N. Thiele.



2 - Paramètres fondamentaux des petits signaux mécaniques


Ce sont les paramètres physiques d’un haut-parleur (mesurés avec des signaux de petits niveaux) utilisés dans des modèles de circuits électriques équivalents. Certaines de ces valeurs ne sont pas faciles à mesurer directement sur un haut-parleur complet et fini, il est donc plus pratique d’utiliser le groupe « Paramètres des petits signaux » listé ci-dessous :


Sd Surface équivalente à la partie émissive de la membrane du haut-parleur, en mètres carrés (m²).

Mms Masse mobile, correspond à la somme des masses des parties en mouvement (membrane, cache-noyau, bobine mobile, air déplacé, moitié de la suspension), exprimée souvent en grammes (gr) et parfois en kilogrammes (kg). Par ailleurs le paramètre Mmd est un dérivé de Mms, il correspond à la masse de la membrane et de la bobine uniquement, exprimé sous les mêmes unités.

Cms Compliance de la suspension du haut-parleur, exprimée en mètres / Newton suspension, cela correspond à l’inverse de la raideur.

Rms Résistance mécanique (ou cinétique pour les techniciens) de la suspension du haut-parleur, exprimée en Newton, seconde / mètre (N.s/m) ou aussi parfois en kilogrammes / seconde (Kg/s).

Le Inductance de la bobine (dans son entrefer) mesurée à 1000 Hz (1,0 kHz), exprimée en milliHenry (mH).

Re Résistance DC (courant continu) de la bobine, exprimée en ohms.

Bl Le produit de la force du champ magnétique dans l’entrefer de la bobine et la longueur du fil de la bobine dans le champ magnétique, exprimée en Tesla.mètres. Ce paramètre est notamment important pour le calcul du rendement.



Le haut-parleur Beyma 15MI100 propose par exemple les valeurs suivantes pour les paramètres expliqués ci-dessus :

Relevés réalisés sur la documentation technique de Beyma du 15MI100

    Sd 0,880 m² (880 cm²)

    Mms 0,072 kg (72 gr)

    Cms 153 μmm / N

    Rms 3,3 kg / s

    Le 1,0 mH @ 1kHz

    Re 6,3 ohm

    Bl 21,6 N / A



    3 - Paramètres des petits signaux


    Ces valeurs peuvent être déterminées en mesurant l’impédance d’entrée d’un haut-parleur, près de la fréquence résonance, à des petits niveaux d’entrée pour lesquels le comportement mécanique du haut-parleur est linéaire (par exemple, proportionnel à son entrée). Ces valeurs se mesurent plus facilement que les valeurs fondamentales citées dans « Paramètres fondamentaux des petits signaux mécaniques ». Voici les paramètres des petits signaux :


    Fs

    Fréquence de résonance


    Formule de calcul de la fréquence de résonance d’un haut-parleur

    Qes

    Facteur de qualité électrique du haut-parleur à sa Fs (appelé aussi coefficient de surtension électrique).


    Formule de calcul du paramètre Qes d’un haut-parleur

    Qms

    Facteur de qualité mécanique du haut-parleur à sa Fs (appelé aussi coefficient de surtension mécanique).


    Formule de calcul du paramètre Qms d’un haut-parleur

    Qts

    Facteur de qualité total du haut-parleur à sa Fs (appelé aussi coefficient de surtension total), produit de Qms et Qes.


    Formule de calcul du paramètres Qts d’un haut-parleur

    Vas

    Volume de Compliance équivalent, c'est à dire le volume d'air qui, quand il est actionné par le piston de surface Sd, a la même compliance que la suspension du haut-parleur. OU : Quantité d'air de comparaison résultant de la compliance et de la surface effective de la membrane d'un haut-parleur, selon une certaine quantité d'air.


    Formule de calcul du paramètres Qts d’un haut-parleur

    ρ est la densité de l’air (1.184 kg/m3 à 25 °C), et c est la vitesse du son (346.1 m/s à 25 °C). Utilisant le système des unités internationales (SI), le résultat sera donné en mètre cube. Pour obtenir Vas en litre il faut multiplier par 1000.



    4 - Les paramètres des grands signaux


    Ces paramètres sont utiles pour prévoir la sortie approximative d’un haut-parleur à des niveaux élevés, bien qu’ils soient plus difficiles à mesurer de façon précise. Voici la liste de ces paramètres des grands signaux :


    Xmax

    Il s’agit du pic linéaire maximum (ou parfois “peak-to-peak") de l’excursion (in mm) de la membrane. En effet la membrane peut se déplacer de façon positive et négative, et elle a un point zéro (état repos), on parle alors de paramètre “Xmax" pour les déplacements de la membrane du point bas maximum au point haut maximum en comportement linéaire. Quand la membrane subit des excursions dépassant le paramètre “Xmax", le haut-parleur se trouve dans un fonctionnement non linéaire.

    Xmech

    Cela correspond à l’excursion maximale autorisée de la membrane avant les dommages. On est ici en dehors de « Xmax » donc en fonctionnement non linéaire. A partir d’un déplacement trop important on peut endommager la bobine ou les autres parties mobiles.

    Pe

    C’est la puissance thermique admissible du haut-parleur, exprimée en watts. Cette valeur électrique est difficile à définir et elle est souvent surestimée par les fabricants de haut-parleurs.

    Vd

    Il s’agit de la quantité d'air déplacée par la membrane pendant l'excursion linéaire maximale (paramètre « Xmax »). Ce paramètre se calcule comme suit : Xmax (en cm) x Sd (en cm²). Le résultat est en cm3.



    5 - Les autres paramètres


    Zmax

    L’impédance du haut-parleur à sa Fs, utilisée notamment pour mesurer Qes et Qms.


    Formule de calcul de l’impédance maximale (Zmax) d’un haut-parleur

    EBP

    Il utilisé pour définir de façon rapide quel type de caisse sera la plus approprié pour un haut-parleur donné. Ce paramètre est calculé en divisant Fs par Qes. Un résultat proche de 100 est bien pour une caisse à évent alors qu’un résultat proche de 50 est mieux pour une caisse close. Quand EBP est entre 50 et 100 le haut-parleur peut être utilisé en clos ou en bass-reflex. Ce paramètre EBP est juste une petite règle « repère » pour choisir une caisse quand le fabricant du haut-parleur ne donne pas de recommandations particulières.

    Znom

    C’est l’impédance nominale du haut-parleur qui est généralement de 4, 8 ou 16 ohms.

    η0

    Cela correspond à l’efficacité du haut-parleur en pourcentage.


    Formule de calcul du rendement d’un haut-parleur

    Ρ/2Πc peut être remplacé par 5.445×10-4 m²·s/kg pour un air sec à 25°C. Pour de l’air à 25°C et un taux d’humidité à 50%, on peut utiliser 5.365×10-4 m²·s/kg. η0 est la quantité d'énergie rayonnée (énergie acoustique) par le haut-parleur dans une bande de fréquence non distordue et au-dessus de la fréquence de résonance fondamentale. η0 est différent de SPL car elle n'est pas influencée par les effets de résonance et de rayonnement.


    Une version simplifiée du calcul de l’efficacité est :


    Seconde formule de calcul (plus simple) du rendement d’un haut-parleur

    2/c3 peut être remplacé 9.523×10–7 s³/m³ pour un air sec à 25°C. Pour de l’air à 2 °C et un taux d’humidité à 50%, on peut utiliser 9.438×10−7 s³/m³.

    A partir de l’efficacité, on peut calculer la sensibilité, il s’agit du niveau de pression acoustique qu’un haut-parleur peut produire en fonction de son signal d’entrée.


    Un haut-parleur avec une efficacité de 100% (1.0) sortirait un watt d’énergie pour chaque watt en entrée. Considérant le haut-parleur comme une source sur un baffle infini, à un mètre, cela serait répartie sur une hémisphère avec une surface de 2π m² (soit 360°) pour une intensité de (1/(2Π))=0.159154 W/m², qui donnerait un SPL (Sound Pressure Level) de 112.1 dB en référence à la pression de référence de 2e-5 Pascals (pression atmosphérique) :


    - Un SPL à 1m pour une entrée de 1 watt correspond alors à : dB(1 watt) = 112.1 + 10*log(eta;0)

    - Un SPL à 1m pour une entrée de 2.83V correspond alors à : dB(2.83 V) = dB(1 watt) + 10*log(8/Re) = 112.1 + 10*log(eta;0) + 10*log(8/Re)



    6 - Descriptions qualitative


    Afin de bien comprend les explications suivants, voici une vue en coupe d’un haut-parleur électro-dynamique (exemple pas à l’échelle) permettant de situer les différentes pièces qui le compose :



    Les différentes parties composants un haut-parleur à cône
    • - Surround : Suspension périphérique, elle peut être en mousse, en caoutchouc, en tissu... de forme demi sphérique (appelé "demi-rouleau"), à plusieurs plis (souvent en tissu) ou plate (par exemple sur les haut-parleurs PHL de médiums ou sur le Audax PR170M0). Les suspensions de remplacement peuvent être fournit au détail, avec la colle spéciale pour suspension hp.

    • - Spider : cet élément permet de garder la bobine mobile dans l’axe, il a un rôle assez proche de la suspension périphérique.

    • - Voice coil former : Support bobine, cette pièce permet de lier la bobine avec le reste de l'équipage mobile notamment la membrane et le dôme cache-noyau.

    • - Diaphragm or cone : Membrane ou cône, elle peut être dans divers matériaux comme le papier, la fibre de carbone, la fibre de verre, papier graphité, polypropylène, aluminium, papier de banane, papier traitée...

    • - Frame or basket : Saladier ou structure fixe, on trouve ici des saladiers emboutis (par exemple le modèle KAPPA-15A de chez Eminence et des saladiers moulés (plus stables, par exemple chez RCF avec le LF18G401 ou chez Beyma avec le 15MI100)

    • - Voice coil : Bobine, c'est elle qui reçoit le courant électrique de l'amplificateur, en fonction du sens du signal électrique elle agit en opposition ou pas avec le champ magnétique exercée sur elle.

    • - Top plate : Plaque de champ, il s'agit d'une pièce cylindrique percée au centre, elle permet de fixer le saladier au système magnétique, on peut jouer sur l'épaisseur de cette plaque pour modifier les performances du haut-parleur

    • - Dust cap : cache-noyau ou cache-poussière, cette pièce permet de protéger la bobine et l'entrefer de la poussière et de la limaille, le dôme cache-noyau est une pièce détachée de haut-parleur disponible au détail

    • - Pole piece : pièce polaire, elle est cylindrique et en acier doux (souvent), elle est placée juste en dessous de la plaque de champ

    • - Magnet : aimant, souvent en ferrite (par exemple le B&C Speakers 15TBX100), parfois en néodymium (exemple le RCF LF18N401), plus rarement en alnico, ou même électro-aimant (chez Supravox par exemple avec les 215 EXC").

    Fs

    Aussi appelé F0, il s’agit de la fréquence de résonance mesurée en Hert (Hz), c’est la fréquence à laquelle la combinaison de l’énergie stockée dans la partie mobile et la compliance de la suspension est maximale, il en résulte une vitesse de déplacement de l’équipage mobile maximale.


    Une suspension plus flexible (plus « compliante ») ou une masse mobile plus grande entraînera une fréquence de résonance plus basse, et inversement. Généralement il est plus difficile de produire des fréquences en dessous de Fs, et des signaux bien inférieurs à Fs peuvent engendrer des excursions mécaniques trop importantes (=danger pour le haut-parleur). Les haut-parleurs de grave ont traditionnellement une Fs comprise entre 13 et 60 Hz, les médiums quant à eux sont plus entre 60 et 500 Hz et les tweeters (haut-parleurs d’aigus) ont une Fs située entre 500 et 4000 Hz. Une tolérance type de valeur de fréquence de résonance est de ±15%.

    Qts

    C’est une mesure sans unité caractérisant la combinaison de l’amortissement électrique (Qes) et de l’amortissement mécanique (Qms) du haut-parleur. En électronique Q est l’inverse du ratio d’amortissement. La plupart des haut-parleurs ont un Qts dont la valeur est comprise entre 0.2 et 0.5, toutefois il arrive que certains modèles particuliers aient un Qts en dehors de ce « standard ».


    Le concept du facteur Q est originaire de K.S Johnson (du département R&D de la firme “Western Electric") pour un besoin d’évaluation de la qualité des bobines (inducteurs). Le choix du symbole Q repose sur le fait qu’il n’y avait plus de lettre disponible. Le terme ne correspond pas à une abréviation de « qualité » ou de « facteur de qualité », bien que cette lettre est souvent associée à ces termes.


    En physique et en ingénierie, le facteur de qualité (ou facteur Q) un paramètre sans dimension qui décrit combien un résonateur (ou un oscillateur) est amorti ou de façon équivalente il caractérise la bande passante du résonateur relative à sa fréquence centrale. Un facteur Q plus élevé indique moins de perte d’énergie, celle-ci correspondant à l’énergie stockée par le résonateur, les oscillations s’arrêtent plus doucement. Par exemple un pendule suspendu dont le support est de grande qualité, en oscillant dans l’air à un facteur Q élevé, tandis qu’un pendule immergé dans un liquide aura un facteur plus faible. Les résonateurs avec un facteur Q élevé ont un amortissement faible pour qu’ils sonnent (résonnent) plus longtemps.

    Courbe présentant le comportement d’un haut-parleur en fonction de son paramètre Q

    Représentation graphique de la bande passante Première formule facteur Q d’un haut-parleur(exprimée de f1 à f2) d’un oscillateur amorti, avec énergie et fréquence. La facteur Q correspond à Seconde formule Q haut-parleur. Plus le facteur QQ est faible, plus la bande passante est large mais moins le pic d’énergie est haut.


    Explications :

    De façon sinusoïdale, un résonateur motorisé ayant un facteur Q élevé résonne avec des amplitudes plus grandes (à la fréquence de résonance) mais ont une bande passante plus étroite autour de Fs. Ainsi, un facteur Q élevé sur un récepteur radio sera plus difficile à régler, mais il offrira une meilleure qualité de filtrage/sélection des autres signaux (autres stations proches). Les oscillateurs avec un facteur Q élevé oscillent avec une bande passante plus petite mais ils sont plus stables.


    Le facteur de qualité des oscillateurs est variable d’un système à l’autre. Les systèmes pour lesquels l’amortissement est important (par exemple un bras amortisseur de portes pour éviter que les portes claques) ont un facteur Q proche de ½. Les horloges, les lasers et autres systèmes à résonances qui ont besoin soit d’une résonance forte ou d’une stabilité de fréquence élevé ont des facteurs Q élevés.


    Il y a beaucoup de possibilités utilisées par les physiciens et les ingénieurs pour quantifier l’amortissement d’un oscillateur.

    Qms

    C’est également une mesure sans unité, elle caractérise l’amortissement mécanique du haut-parleur, c’est à dire les pertes mécaniques induites par la suspension, le spider et le matériau utilisé pour le support de la bobine. Cette mesure varie généralement entre 0.5 et 10, avec une valeur typique avoisinant 3. Un grand Qms correspond à des pertes mécaniques faibles, en revanche un Qms faible correspond à des pertes mécaniques élevées. L’impact principal de Qms s’exerce sur l’impédance du haut-parleur, d’ailleurs les haut-parleurs qui ont un Qms élevé proposent un « pic » d’impédance plus important. Par exemple un support bobine métallique amènera un Qms faible. Les haut-parleurs avec un Qms élevé sont souvent équipés d’un support de bobine non conducteur, par exemple le papier et le plastique.


    Les haut-parleurs avec un haut Qms ont un son plus ouvert, plus clair et une meilleure gamme dynamique, parce qu’ils ont moins de pertes. En effet cela correspond à une suspension plus flexible, un spider mieux construit. Les haut-parleurs avec un Qms élevés ont un meilleur flux d’air et ont généralement une sensibilité plus élevée.

    Qes

    Il s’agit d’un paramètre sans unité qui décrit l’amortissement électrique du haut-parleur. Comme la bobine est immergée dans le champ magnétique, cela génère un courant qui s’oppose aux mouvements de la bobine. Cela s’appelle le « Back-EMF (comprenez « Back Electromotive Force », lequel est proportionnel à Bl * vitesse) qui diminue le courant total traversant la bobine proche de la fréquence de résonance, tout en réduisant le mouvement de l’équipage mobile et en augmentant l’impédance. Pour la plupart des haut-parleurs, le paramètre Qes est le facteur dominant dans l’amortissement de la bobine. Qes dépend aussi de l’impédance de sortie de l’amplificateur auquel le haut-parleur est connecté, donc idéalement quand on utilise un amplificateur avec une impédance de sortie qui est supérieure à zéro, il faut la prendre en compte et l’ajouter à Re.

    Bl

    Ce paramètre est mesuré en Mètre*Tesla (T.m). Techniquement cela correspond à B×l ou B×l sin(θ) (produit vectoriel) mais la géométrie standard d’une bobine circulaire dans un trou de bobine en forme d’anneau donne sin(θ)=1.B×l est aussi connu comme « facteur de force » parce que la force magnétique exercé par l’aimant est B×l multiplié par le courant qui traverse la bobine. Plus la valeur de B×l est élevée, plus la force générée par le courant qui traverse la bobine est grande. B×l a un impact très important sur le paramètre Qes.

    Vas

    Mesurée en litre ou en m3 (mètre cube), Vas est une mesure de la rigidité (ou raideur) de la suspension d’un haut-parleur à l’air libre. Cela représente le volume d’air qui a la même rigidité que la suspension du haut-parleur quand elle est activée par un piston de la même surface que la membrane. Un Vas faible correspond à moins de raideur, et généralement nécessite l’utilisation d’un volume de charge plus grand. Ce paramètre varie avec le carré du diamètre. La tolérance usuelle de Vas est entre ± 20 / 30%.

    Mms

    Mesuré en grammes (gr) ou kilogrammes (kg), cela correspond à la masse de l’équipage mobile qui inclut la membrane, la bobine et toutes les parties en mouvement, y compris la charge acoustique imposée par l’air en contact avec la membrane. Mmd correspond lui juste à la masse de l’équipage mobile sans prendre en compte la charge acoustique. Donc Mms et Mmd ne doivent pas être confondus. Certains logiciels de simulation calculent Mms quand on renseigne Mmd. Mmd est un paramètre sur lequel le fabricant peut intervenir facilement.

    Rms

    Généralement il n’y a pas d’unité pour ce paramètre, mais il est une résistance mécanique exprimée en “ohm". Rms correspond à la mesure des pertes (ou amortissement) dans la suspension et l’équipage mobile d’un haut-parleur. C’est le facteur principal pour définir Qms. Rms est influencé par la géométrie de la suspension, il est aussi influencé par les matériaux utilisés pour le support de la bobine et le matériau de la suspension.

    Cms

    Mesuré en mètre/Newton (m/N), cela décrit la compliance de la suspension, c’est à dire l’inverse de la raideur. Plus un système de suspension est souple, plus Vas est élevé. Cms est proportionnel à Vas et ainsi a les mêmes écarts de tolérance.

    Re

    Mesuré en ohm (Ω), cela correspond à la résistance « DC » (= Direct Current Résistance) de la bobine. Pour mesurer plus facilement la valeur de Re, il faut que l’équipage mobile soit statique. Ce paramètre ne doit pas être confondu avec la valeur de l’impédance, car en effet le fabricant peut contrôler de façon précise la valeur de Re, tandis que l’impédance est plus approximative.


    La norme RS-299A établie par l’ « American EIA standard» spécifie que la valeur du paramètre Re (ou DCR) doit être au moins de 80% de l’impédance, donc un haut-parleur avec une impédance de 8 ohm doit avoir une résistance entre 5.5 et 6.4 ohm, et un haut-parleur d’impédance 4 ohm doit être entre 2.2 et 3.2 ohm. Toutefois on peut trouver des modèles avec des Re en dehors de ces normes.

    Le

    Mesuré en millihenries (mH), cela correspond à l’inductance de la bobine.


    Des grandes valeurs Le limitent les hautes fréquences du haut-parleur. Les logiciels basiques ne prennent pas en compte Le, et donc ne prennent pas en compte son impact. L’inductance varie avec l’excursion de la membrane parce que la bobine bouge en même temps autour de la pièce polaire, ce qui agit comme un cœur inducteur glissant, augmentant l’inductance lorsque la bobine rentre, et diminuant l’inductance lorsque la bobine sort.

    Sd

    Mesuré en mètre carré (m²), il s’agit de la surface effective du cône ou de la membrane. Cette unité est difficile à mesurée car elle dépend beaucoup de la forme et des propriétés de la suspension périphérique. Généralement cela correspond au diamètre de la bobine ajouté d’une partie de la suspension (souvent un tiers de la moitié de la surface de la suspension).


    Par exemple deux haut-parleurs équipés de la même membrane peuvent avoir une valeur Sd différente, notamment un modèle équipé d’une large suspension (appelée « wide roll ») peut finalement avoir un Sd beaucoup plus faible.

    Xmax

    Cette donnée est mesurée en millimètres (mm), il s’agit de l’amplitude maximale de la membrane en régime linéaire (=bobine toujours dans le champ magnétique).


    Dans sa définition la plus simple, il faut soustraire la hauteur de la bobine de la hauteur de la plaque de champ (voir schéma plus haut dans le texte), puis il faut prendre la valeur absolue et diviser par deux. Cette technique a été initiée par Mark Grander (JBL) dans la publication « AES » en 1981, comme un indicateur de comportement linéaire. Toutefois cette méthode de calcul ne prend pas en compte les non-linéarités magnétiques et mécaniques qui sont importantes pour certains haut-parleurs. Par conséquent, a été suggérée une mesure combinée acoustique/mécanique dans laquelle un haut-parleur est testé progressivement jusqu’à de hauts niveaux (correspondant à une distorsion harmonique totale « THD » de l’ordre de 10% en sortie) et sur des basses fréquences (là où les valeurs de Xmax

    Pe

    Valeur mesurée en watts, Pe est généralement donnée sous deux formats :

    • le « RMS » (ou « Power Rating »), correspond à la puissance électrique admissible en continue ;
    • et le « Peak » (ou « Music Program ») correspond à une puissance électrique admissible sur un temps très court. Habituellement le « Peak » est donné comme deux fois plus élevé que « RMS ».

    Les haut-parleurs ont un comportement complexe, et une donnée seule ne suffit pas. Il y a deux aspects dans le traitement de la puissance, l’aspect thermique et l’aspect mécanique :

    • Le premier aspect est directement lié aux limites thermiques admissibles par la bobine et la colle utilisée (ou tout autre protection de la bobine), passée cette limite la bobine se déforme ou il y a des changements de caractéristiques.
    • Le second aspect correspond à une utilisation à basse fréquence (là où les excursions sont les plus importantes) et implique des ruptures mécaniques de certains composants (membrane, spider, suspension, support bobine…).

    Par exemple un haut-parleur avec une puissance admissible thermique de 200 watts à 200 Hz, pourrait être endommagé avec seulement quelques watts s’il était utilisé à 10 Hz. Il faut savoir que les normes (IEC 268 par exemple) prennent principalement en compte l’aspect thermique en filtrant les basses fréquences, et très peu l’aspect mécanique (pourtant très important). Par ailleurs l’aspect mécanique est directement lié à la caisse (l’ébénisterie) dans laquelle le haut-parleur est installé.

    Vd

    Cette donnée est mesurée en Litre (L), elle correspond au volume déplacé par la surface effective du cône (Sd) multipliée par l’amplitude maximale de la membrane en régime linéaire (Xmax). On peut obtenir une valeur Vd similaire avec deux haut-parleurs différents, un avec une petite membrane et un Xmaxélevé, l’autre avec un Xmax faible et une grande membrane. Vd permet d’estimer la valeur de la sortie maximale qu’un haut-parleur peut fournir à basse fréquence. Un haut-parleur avec un Xmax élevé et une petite membrane risque d’être moins efficace puisque la bobine risque de sortir du champ plus facilement. Un haut-parleur avec une grande membrane et un petit Xmax est capable de fournir plus de niveau, et ne nécessite pas l’utilisation d’une bobine plus longue.

    η0

    Efficacité de référence

    Exprimée en pourcentage (%), l’efficacité de référence correspond à la quantité d'énergie rayonnée comme son depuis le haut-parleur dans une bande de fréquence non distordue, au-dessus de la fréquence de résonance fondamentale.


    Comparer les haut-parleurs par leur efficacité de référence calculée est souvent plus pertinent que d’utiliser la sensibilité car les fabricants présentent souvent une sensibilité trop optimiste. En fait l’efficacité de référence est différente de la sensibilité car elle n'est pas influencée par les effets de résonance et de rayonnement.

    Sensibilité

    Il s’agit de la pression du son exprimée en décibels (dB), produite par un haut-parleur en réaction d’une stimulation donnée. Habituellement cette donnée est mesurée avec une entrée de 1 watts (ou 2.83 v sous 8 ohm d’impédance de charge) à une distance d’un mètre.



    7 - Détails sur les mesures - Comportement des grands signaux


    Il faut être prudent quand on utilise ou interprète les paramètres « Thiele and Small ». Il est important de préciser qu’un haut-parleur unique sortant d’une chaîne de fabrication, peut donner des caractéristiques finales qui ne correspondent aux caractéristiques globales données par le fabricant (dans la doc technique, car il s’agit de valeurs moyennes). En effet les caractéristiques du haut-parleur peuvent varier dans une gamme de tolérance plus ou moins importante (parfois précisée par le fabricant).


    Par exemple : Cms est le paramètre le moins contrôlable, mais la variation de cette valeur n’a pas d’impact significatif sur la réponse finale du haut-parleur.


    Il est important de comprendre que les petits paramètres ("Small") sont donnés sous forme linéarisée. Une analyse basée sur ces paramètres donnera des résultats idéalisés du comportement du haut-parleur, puisque les vraies valeurs de ces paramètres varient pour chaque unité selon le niveau auquel le haut-parleur est utilisé, selon la température de la bobine, mais aussi selon l’âge du haut-parleur, etc… Voici quelques exemples de comportements :


    • Cms diminue proportionnellement à la sortie de la bobine.
    • Bl est généralement à sa valeur maximale à l’arrêt, et diminue au fur et à mesure que la bobine s’approche du Xmax.
    • Re augmente au fur et à mesure que la bobine chauffe, la valeur de Re peut par exemple doubler à 270°C de la bobine (270°C étant la température limite de la plupart des bobines).

    Exemples de liens entre différents paramètres :


    Fs et Vas peuvent considérablement varier en fonction du niveau d’entrée, en raison de la variation non-linéaire de Cms. Un haut-parleur standard de 110 mm de diamètre de type « large-bande » avec une Fs à 95 Hz, avec un niveau d’entrée de 0.5V, pourrait chuter à 64 Hz avec un niveau d’entrée de 5V. Un haut-parleur avec un Vas mesuré à 7L et une entrée de 5V, pourrait présenter un Vas augmenté à 13L quand il est alimenté à 4V. Le paramètre Qms est quant à lui relativement stable à quelques pourcent près, peu importe le niveau d’entrée. Les paramètres Qes et Qts subissent une diminution inférieure à 13% dans le cas d’un niveau d’entrée entre 0.5 et 4V, cela est directement lié au changement de valeur de Bl. Parce que Vas peut augmenter de façon significative et que Fs peut chuter considérablement, avec un petit changement de Mms, l’efficacité de référence calculée peut chuter de 30% au fur et à mesure que le niveau d’entrée varie entre 0.5 et 4V. Bien sûr la réelle sensibilité (SPL) du haut-parleur reste inchangée, mais la valeur de l’efficacité de référence reste correcte sous certaines conditions.


    A partir de cet exemple, on peut constater que les mesures à utiliser de préférence pour la conception d’enceintes ou de systèmes sont celles susceptibles de représenter les conditions typiques d’utilisation. Malheureusement, ces mesures sont relatives, puisque les conditions d’utilisation changent continuellement quand on utilise le haut-parleur. Les non-linéarités dépendent du niveau et provoquent généralement des niveaux de sorties plus bas que prévus, ou des petites variations dans la réponse en fréquence.

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