Bobine acoustique - Voice coil

Une bobine acoustique double de trois pouces de diamètre à partir d'un pilote de subwoofer

Une bobine acoustique (composée d'un ancien , d'un collier et d'un enroulement ) est la bobine de fil attachée au sommet d'un cône de haut - parleur . Il fournit la force motrice au cône par la réaction d'un champ magnétique au courant qui le traverse. Le terme est également utilisé pour les moteurs linéaires à bobine mobile , tels que ceux utilisés pour déplacer les têtes à l'intérieur des disques durs , qui produisent une force plus importante et se déplacent sur une plus longue distance mais fonctionnent sur le même principe.

Opération

En conduisant un courant à travers la bobine acoustique, un champ magnétique est produit. Ce champ magnétique fait réagir la bobine acoustique au champ magnétique d'un aimant permanent fixé au cadre du haut-parleur, déplaçant ainsi le cône du haut-parleur. En appliquant une forme d' onde audio à la bobine acoustique , le cône reproduira les ondes de pression acoustique correspondant au signal d'entrée d'origine.

Considérations sur la conception

Parce que les pièces mobiles du haut-parleur doivent être de faible masse (pour reproduire avec précision les sons à haute fréquence sans être trop amorties par l' inertie ), les bobines acoustiques sont généralement aussi légères que possible, ce qui les rend délicates. Faire passer trop de courant dans la bobine peut provoquer sa surchauffe (voir chauffage ohmique ). Les bobines acoustiques enroulées avec du fil aplati, appelées fil-ruban , offrent une densité de tassement plus élevée dans l'espace magnétique que les bobines avec fil rond. Certaines bobines sont fabriquées avec des matériaux de bobine et de collier scellés en surface , de sorte qu'elles peuvent être immergées dans un ferrofluide qui aide à refroidir la bobine, en évacuant la chaleur de la bobine et dans la structure de l'aimant. Une puissance d'entrée excessive aux basses fréquences peut entraîner un déplacement de la bobine au-delà de ses limites normales, provoquant une distorsion et éventuellement des dommages mécaniques.

La tenue en puissance est liée à la résistance à la chaleur de l'isolant du fil, de l'adhésif et du matériau de la bobine, et peut être influencée par la position de la bobine dans l'espace magnétique. La majorité des haut-parleurs utilisent des bobines acoustiques « surplombées », avec des enroulements plus hauts que la hauteur de l'entrefer magnétique. Dans cette topologie, une partie de la bobine reste à tout moment dans l'espace. La puissance admissible est limitée par la quantité de chaleur qui peut être tolérée et la quantité qui peut être retirée de la bobine acoustique. Certaines conceptions d'aimants incluent des anneaux de dissipation thermique en aluminium au-dessus et en dessous de l'entrefer, pour améliorer le refroidissement par conduction, améliorant considérablement la gestion de la puissance. Si toutes les autres conditions restent constantes , la surface des enroulements de la bobine mobile est proportionnelle à la puissance admissible de la bobine. Ainsi, une bobine acoustique de 100 mm de diamètre, avec une hauteur d'enroulement de 12 mm, a une tenue en puissance similaire à une bobine acoustique de 50 mm de diamètre avec une hauteur d'enroulement de 24 mm.

Dans les conceptions de bobines acoustiques « en dessous » (voir ci-dessous), la bobine est plus courte que l'entrefer magnétique, une topologie qui fournit une force électromotrice constante sur une plage de mouvement limitée, connue sous le nom de X max . Si la bobine est surchargée, elle peut laisser l'espace, générant une distorsion importante et perdant l'avantage de dissipation thermique de l'acier, chauffant rapidement.

De nombreux haut-parleurs hi-fi et presque tous les haut-parleurs basse fréquence professionnels (woofers) incluent des évents dans le système magnétique pour fournir un refroidissement à air forcé de la bobine acoustique. L'action de pompage du cône et du capuchon anti-poussière aspire l'air frais et expulse l'air chaud. Cette méthode de refroidissement repose sur le mouvement du cône, elle est donc inefficace aux fréquences moyennes ou aiguës, bien que la ventilation des médiums et des tweeters offre certains avantages acoustiques.

Dans les premiers haut-parleurs, les bobines acoustiques étaient enroulées sur des bobines de papier, ce qui était approprié pour des niveaux de puissance modestes. Au fur et à mesure que des amplificateurs plus puissants sont devenus disponibles, la feuille d'aluminium en alliage 1145 a largement remplacé les bobines de papier et les bobines acoustiques ont survécu à une puissance accrue. Les bobines acoustiques des haut-parleurs hi-fi modernes typiques utilisent des matériaux pouvant résister à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 150 °C, voire 180 °C. Pour les haut-parleurs professionnels, des matériaux composites thermodurcissables avancés sont disponibles pour améliorer la survie des bobines acoustiques sous des contraintes thermiques (<300°C) et mécaniques simultanées sévères.

L'aluminium était largement utilisé dans l'industrie des haut-parleurs en raison de son faible coût, de sa facilité de collage et de sa résistance structurelle. Lorsque des amplificateurs de puissance plus élevée sont apparus, en particulier dans le son professionnel, les limites de l'aluminium ont été exposées. Il transfère assez efficacement mais de manière peu pratique la chaleur de la bobine acoustique dans les liaisons adhésives du haut-parleur, les dégradant thermiquement ou même les brûlant. Le mouvement de la bobine en aluminium dans l'entrefer magnétique crée des courants de Foucault dans le matériau, ce qui augmente encore la température, ce qui entrave la survie à long terme. En 1955, DuPont a développé Kapton, un film plastique polyimide qui ne souffrait pas des défauts de l'aluminium, donc Kapton, et plus tard Kaneka Apical ont été largement adoptés pour les bobines acoustiques. Aussi réussis que soient ces films plastiques marron foncé pour la plupart des bobines acoustiques hi-fi, ils présentaient également des propriétés moins attrayantes, principalement leur coût, et une fâcheuse tendance à se ramollir à chaud. Hisco P450, développé en 1992 pour résoudre le problème de ramollissement des haut-parleurs professionnels, est un composite thermodurci de tissu fin en fibre de verre, imprégné de résine polyimide, combinant les meilleures caractéristiques du polyimide avec la résistance à la température et la rigidité de la fibre de verre. Il résiste à des contraintes physiques brutales et à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 300 °C, tandis que sa rigidité aide à maintenir la réponse en fréquence « froide » du haut-parleur.

Le fil utilisé dans l'enroulement de la bobine mobile est presque toujours en cuivre, avec un revêtement isolant électrique et, dans certains cas, une surcouche adhésive. Le fil de cuivre fournit une bobine mobile à usage général facile à fabriquer, à un coût raisonnable. Lorsqu'une sensibilité maximale ou une réponse étendue des hautes fréquences est requise d'un haut-parleur, un fil d'aluminium peut être remplacé pour réduire la masse mobile de la bobine. Bien que plutôt délicat dans un environnement de fabrication, le fil d'aluminium a environ un tiers de la masse du calibre équivalent du fil de cuivre et a environ les deux tiers de la conductivité électrique. Du fil d'aluminium recouvert de cuivre est parfois utilisé, ce qui permet un enroulement plus facile, ainsi qu'une réduction utile de la masse de la bobine par rapport au cuivre.

Un fil plat en aluminium anodisé peut être utilisé, fournissant une couche d'oxyde isolante plus résistante au claquage diélectrique que les revêtements d' émail sur d'autres fils de bobine acoustique. Cela crée des bobines acoustiques légères à faible inductance, parfaitement adaptées à une utilisation dans de petites enceintes à portée étendue. La principale limitation de puissance sur de telles bobines est le point de ramollissement thermique des adhésifs qui lient le fil à la bobine, ou la bobine à l' araignée et à la bobine.

Les bobines acoustiques peuvent être utilisées pour des applications autres que les haut-parleurs, où la linéarité de la force temporelle et les courses longues sont nécessaires. Certains environnements comme le vide ou l'espace nécessitent une attention particulière lors de la conception, afin d'évacuer les pertes de la bobine. Plusieurs méthodes spécifiques peuvent être utilisées pour faciliter la vidange thermique.

Bobines suspendues et suspendues

Bobines acoustiques suspendues et suspendues. Le gris clair est le fer doux, le gris foncé est le matériau magnétique permanent et la bobine est en rouge.

L'image ci-dessus montre deux façons dont la bobine acoustique est immergée dans le champ magnétique. La méthode la plus courante est la conception en porte-à- faux où la hauteur de la bobine mobile est supérieure à la hauteur de l'entrefer magnétique. La conception suspendue qui est principalement utilisée dans les haut-parleurs haut de gamme a une hauteur de bobine inférieure à celle de l'espace. Les différences, avantages et inconvénients des deux méthodes sont énumérés ci-dessous.

Les deux topologies tentent le même objectif : une force linéaire agissant sur la bobine, pour un pilote qui reproduit fidèlement le signal appliqué.

Autres utilisations du terme

Le terme « bobine vocale » a été généralisé et fait référence à tout mécanisme de type galvanomètre qui utilise un solénoïde pour déplacer un objet d'avant en arrière dans un champ magnétique.

En particulier, il est couramment utilisé pour désigner la bobine de fil qui déplace les têtes de lecture-écriture dans un lecteur de disque à tête mobile . Dans cette application, une bobine de fils très légère est montée dans un champ magnétique puissant produit par des aimants permanents aux terres rares . La bobine acoustique est la partie motrice du système d'asservissement qui positionne les têtes : un signal de commande électrique entraîne la bobine acoustique et la force résultante positionne rapidement et avec précision les têtes.

Voir également

Les références

  • [1] , Un bon article sur les actionneurs à bobine vocale.
  • The Hisco Loudspeaker Voice Coil Handbook , 7e édition, août 2001. Hisco, Anaheim, CA 92807. 714 777 2665.
  • Actionneurs à bobine mobile , principe et pratique.