La principale caractéristique électrique d’un haut-parleur dynamique est son impédance électrique en fonction de la fréquence. Elle peut être représentée sous la forme d’un graphique appelé « courbe d’impédance ».
Le type de haut-parleur le plus courant est un transducteur électromécanique utilisant une bobine mobile reliée à une membrane conique. Dans ce type de haut-parleur, la bobine mobile est suspendue dans un champ magnétique produit par un aimant permanent. Lorsque le courant électrique traverse la bobine mobile en provenance d’un amplificateur audio, le champ électromagnétique créé par le courant dans la bobine réagit par rapport au champ fixe de l’aimant permanent, déplaçant la bobine mobile et le cône du haut-parleur. Le courant alternatif déplace le cône d’avant en arrière : c’est ce mouvement qui fait vibrer l’air et produit le son.
Appelé « équipage mobile », cet ensemble de pièces en mouvement — cône, spider, suspension et bobine mobile — se caractérise par une certaine masse et un ordre spécifique. Il s’agit dans la plupart des cas d’une simple masse suspendue par un ressort et qui présente une certaine fréquence de résonance à laquelle le système vibre librement.
Cette fréquence est appelée « résonance en espace libre » du haut-parleur (FS). À cette fréquence, et dans la mesure où la bobine mobile vibre avec une rapidité et une amplitude crête à crête maximales, la force contre-électromotrice (back-EMF) générée par le mouvement de la bobine dans un champ magnétique est également à son niveau maximum. L’impédance électrique effective du haut-parleur est à son maximum à la fréquence FS ; cette impédance est appelée ZMAX. Aux fréquences situées juste au-dessous de la fréquence de résonance, l’impédance augmente rapidement à mesure que la fréquence avoisine la fréquence FS et est de nature inductive. À la fréquence de résonance, l’impédance est purement résistive et au-delà, à mesure que l’impédance diminue, elle apparaît capacitive. L’impédance atteint la valeur minimale ZMIN à une certaine fréquence où le comportement est principalement — mais pas parfaitement — résistif sur une certaine gamme de fréquences. L’impédance nominale d’un haut-parleur, ZNOM, est dérivée de cette valeur ZMIN.
Pour concevoir des réseaux de filtres répartiteurs (« crossover filters ») pour plusieurs haut-parleurs et l’enceinte physique dans laquelle ils sont montés, il est important de connaître la fréquence de résonance, ainsi que les impédances minimale et maximale.
Modèle d’impédance des haut-parleurs
Pour mieux comprendre les mesures à effectuer, la Figure 1 représente le schéma électrique simplifié d’un haut-parleur.
Le circuit représenté en Figure 1 est constitué d’une résistance en courant continu (RDC) montée en série avec un circuit résonant parallèle avec pertes composé d’une bobine (inductance, L), d’une résistance (R) et d’un condensateur (C), et qui modélise l’impédance dynamique du haut-parleur dans la plage de fréquences concernée.
• La valeur RDC correspond à la résistance en courant continu du haut-parleur telle que mesurée avec un ohmmètre en courant continu. La résistance en courant continu est souvent appelée « DCR » dans la fiche technique des enceintes / caissons de basse (subwoofer). La valeur de la résistance en courant continu RDC est généralement inférieure à celle de l’impédance nominale ZNOM du moteur du haut-parleur. Elle est également inférieure à l’impédance spécifiée du haut-parleur, l’amateur novice devant veiller à ce que l’amplificateur d’attaque ne subisse une surcharge. Cependant, étant donné que l’inductance (L) d’un haut-parleur augmente avec la fréquence, il est peu probable que l’amplificateur d’attaque considère la résistance en courant continu comme une charge ;
• la valeur L désigne l’inductance de la bobine mobile ; elle se mesure en milliHenry (mH). Généralement, la norme industrielle consiste à mesurer l’inductance de la bobine mobile à la fréquence de 1000 Hz. Lorsque les fréquences d’entrée augmentent, l’impédance augmente au-dessus de la valeur RDC, car la bobine mobile agit comme une inductance. Par conséquent, l’impédance globale d’un haut-parleur n’est pas constante et peut être représentée comme un profil dynamique qui change en fonction de la fréquence d’entrée, comme nous le verrons lorsque nous procèderons à des mesures. L’impédance maximale du haut-parleur (ZMAX) se trouve à la fréquence de résonance du haut-parleur ;
• la valeur FS désigne la fréquence de résonance d’un haut-parleur. C’est à cette fréquence que son impédance atteint le niveau maximum. La fréquence de résonance est le point auquel la masse totale des pièces en mouvement du haut-parleur s’équilibre avec la force de suspension du haut-parleur en mouvement. Les informations concernant la fréquence de résonance sont importantes pour éviter les vibrations de l’enceinte. En général, la masse des pièces en mouvement et la rigidité de la suspension du haut-parleur sont les éléments clés qui influencent la fréquence de résonance. Un caisson ventilé de type « bass reflex » est réglé sur la fréquence FS pour que les deux éléments fonctionnent à l’unisson. De manière générale, un haut-parleur présentant une fréquence FS peu élevée sera plus performant aux basses fréquences qu’un haut-parleur affichant une fréquence FS plus élevée ;
• la valeur R correspond à la résistance mécanique des pertes de suspension du moteur du haut-parleur.
Matériaux
• un module ADALM1000 ;
• un plaque d’essai sans soudure ;
• deux résistances de 100 ? (ou toute valeur similaire) ;
• un haut-parleur issu du kit ADALP2000 ; il est préférable que le diamètre du cône du haut-parleur soit supérieur à 4 pouces (10 cm), de sorte que sa fréquence de résonance sera relativement basse.
Instructions
Dans un premier temps, nous allons réaliser le circuit représenté en Figure 3, de préférence en utilisant la plaque d’essai sans soudure. Le haut-parleur peut être monté dans une enceinte, mais ce n’est pas obligatoire. Cette configuration permet de mesurer la tension VL appliquée au haut-parleur en utilisant la trace de tension sur le canal B et le courant de charge IL comme trace de courant sur le canal A.
Lancer le logiciel ALICE. Dans l’écran principal Scope, ALICE calcule et affiche les valeurs efficaces (rms) des courbes de tension et de courant. Dans le menu déroulant CA Meas, section Voltage, sélectionner RMS, et dans la section Current, sélectionner RMS. Dans le menu déroulant CB Meas, section Voltage, sélectionner RMS.
Nous pouvons calculer l’impédance du haut-parleur Z à une fréquence unique en divisant la tension efficace appliquée au haut-parleur (tension efficace du canal B) par le courant efficace appliqué au haut-parleur (courant efficace du canal A). Pour afficher ce calcul, on utilisera l’affichage de la mesure Channel B User. Les deux variables utilisées sont SV2 pour la tension efficace du canal B et SI1 pour le courant efficace du canal A. Cliquer sur User dans le menu déroulant CB Meas, puis saisir Z. Entrer la formule (SV2/SI1) ×1000. Le courant étant indiqué en mA, le rapport doit être multiplié par 1 000 pour obtenir le résultat en ohms (?).
Régler ensuite le canal A sur d’autres fréquences et observer comment la tension appliquée au haut-parleur et l’impédance Z calculée vont changer.
Réaliser un diagramme de Bode avec le logiciel ALICE
Sélectionner l’outil Bode Plotting pour tracer un diagramme de Bode. Dans le menu Curves, sélectionner CA-dBV, CB-dBV et Phase B-A.
Dans le menu déroulant Options, cliquer sur Cut-DC pour sélectionner cette option si ce n’est déjà fait. Modifier la valeur FFT Zero Stuffing Factor sur 3.
Régler la valeur Channel A Min sur 1,0 V et la valeur maximale sur 4,0 V. Régler le mode AWG A sur SVMI et Shape sur Sine. Régler le mode AWG Channel B sur Hi-Z. Vérifier que la case Sync AWG est bien cochée.
Utiliser l’entrée Start Frequency pour fixer le balayage de fréquence à 50 Hz et l’entrée Stop Frequency pour régler l’arrêt du balayage à 1 000 Hz. Sélectionner CHA comme canal de balayage source. Utiliser également l’entrée Sweep Steps pour caler le nombre de paliers de fréquence sur 150. Sélectionner Single Sweep.
À présent, exporter les données dans un fichier .CSV dont les champs sont séparés par des virgules (menu File – Save data) sous forme de magnitudes — et non de dB — afin de faciliter les calculs, avant de le charger dans un tableur de type Excel. Les données du canal B (entre 50 et 1 000 Hz) de ce fichier seront utilisées comme valeurs VL.
Il convient de noter les points de fréquence où la phase est à son maximum positif, à zéro, et à son minimum négatif. Les données à l’écran sont tracées en dB, et l’échelle verticale n’est pas exprimée en volts. Le haut-parleur se présentera probablement sous une autre forme.
En sauvegardant les données en tant que magnitude, l’amplitude du générateur de signal (en Vrms) est enregistrée dans le fichier. Il est possible de calculer la magnitude de l’impédance du haut-parleur (Z) en divisant la tension appliquée au haut-parleur VL par le courant IL. Le courant IL correspond à la tension appliquée aux bornes de la résistance divisée par la valeur de la résistance.
Le fait de soustraire les valeurs de magnitude de la tension du canal B des valeurs de magnitude de tension du canal A, puis de diviser par la résistance 50 ?, permet de calculer la magnitude du courant IL. L’impédance Z correspondra à la magnitude de la tension du canal B divisée par la magnitude du courant IL.
Il est à présent possible de tracer l’impédance calculée Z en fonction de la fréquence. Un exemple de graphique est représenté en Figure 6. Le haut-parleur se présentera probablement sous une autre forme.
L’impédance du haut-parleur est faible — sensiblement égale à la résistance en courant continu dans la région linéaire —, mais beaucoup plus élevée à la fréquence de résonance FS.
Questions
En se basant sur les données mesurées, extraire les valeurs L, C et R du modèle électrique de haut-parleur illustré en Figure 1 pour le haut-parleur utilisé. Il est possible de mesurer la résistance RDC avec un ohmmètre en courant continu. Ne pas tenir compte de la valeur LINPUT qui sera minime par rapport à l’inductance L. Entrer ces valeurs dans un schéma de simulation de circuit correspondant au modèle et lancer un balayage de réponse en fréquence entre 50 et 1 000 Hz. Enfin, comparer le modèle aux données mesurées en laboratoire.
Utiliser ALICE pour mesurer l’impédance du haut-parleur
Le canal B mesure à nouveau la tension VL appliquée au haut-parleur. Le logiciel d’analyse de l’impédance utilise la différence entre la tension du canal A et la tension du canal B, ainsi que la phase relative entre les canaux pour calculer l’impédance en fonction de la valeur des résistances combinées R1 et R2.
Ouvrir le logiciel d’analyse d’impédance ALICE
Régler Ext Res = 50, puis Channel A Freq sur une valeur nettement inférieure à la fréquence de résonance du haut-parleur. Dans ce premier exemple de mesure, la fréquence utilisée est de 100 Hz. Régler Ohms/div sur 10. Comme le montre la Figure 8, l’angle de phase doit être positif. La résistance série du haut-parleur est d’environ 7 ? et la réactance est inductive.
Caler à présent la fréquence sur la valeur de résonance obtenue à partir du balayage de fréquence. Il peut être nécessaire d’affiner la valeur pour trouver le point précis où la réactance est égale à zéro, comme le montre la Figure 9.
En principe, ce résultat doit correspondre à celui des balayages de fréquence. L’angle de phase doit être réduit, et la résistance en série supérieure d’environ 15 ?.
Régler la fréquence à un point supérieur à la fréquence de résonance, où la phase est proche de sa crête négative, comme le montre la Figure 10. La valeur utilisée dans cet exemple est de 500 Hz.
Comme le montrent les données, l’angle de phase doit être négatif. La résistance série du haut-parleur est toujours voisine de 7 ?, mais la réactance est capacitive.
Nota :
Comme dans tous les laboratoires ALM, nous utilisons la terminologie suivante à propos des raccordements au connecteur de l’ADALM1000 ainsi que pour configurer le matériel. Les rectangles ombrés en vert indiquent les connexions au connecteur d’entrée/sortie analogique ADALM1000. Les broches des canaux d’E/S analogiques sont désignées CA et CB. Lorsque le matériel est configuré pour forcer la tension/mesurer le courant, le suffixe -V est ajouté (CA-V, par exemple). Lorsqu’il est configuré pour forcer le courant/mesurer la tension, le suffixe -I est utilisé (CA-I). Lorsqu’un canal est configuré en mode haute impédance pour mesurer uniquement la tension, le suffixe -H est ajouté (CA-H).
De même, les traces d’oscilloscope sont désignées par canal et tension/courant, par exemple CA-V, CB-V pour les formes d’onde de tension, et CA-I, CB-I pour les formes d’onde de courant.
Auteur : Doug Mercer, Analog Devices
Source: Zellercom.com