Transcript Etude d`un haut-‐parleur électrodynamique

Etude d’un haut-­‐parleur électrodynamique Un haut-­‐parleur électrodynamique est un convertisseur électromécanique. Il a pour but de produire un son (obtenu en déplaçant une membrane souple dans l’air) à partir d’un signal électrique : il réalise donc une conversion de puissance électrique en puissance mécanique. Un haut-­‐parleur électrodynamique est principalement constitué de : -­‐ un aimant, permettant de créer un champ magnétique stationnaire et uniforme dans son entrefer -­‐ une bobine mobile, solidaire d’une membrane souple dont les vibrations engendrent l’onde sonore (par frottement fluide, la membrane met en mouvement la couche d’air qui est à son contact et l’onde sonore se transmet ensuite de proche en proche aux autres couches d’air) -­‐ une suspension, assurant le rappel de la bobine et de la membrane vers leur position d’équilibre. En moyenne, l’oreille humaine est capable de percevoir des sons de fréquences comprises entre 20 Hz (sons très graves) et 20 kHz (sons très aigus). Il n’est cependant pas possible pour un même haut-­‐parleur de restituer toute cette plage de fréquences avec une bonne qualité. C’est pourquoi, dans la plupart des enceintes, plusieurs haut-­‐
parleurs son présents (généralement 3). Chacun de ces haut-­‐parleurs ne s’occupera de reproduire qu’une partie de la plage fréquentielle : le woofer pour les sons graves, le médium pour les fréquences intermédiaires et le tweeter pour les sons aigus. Les objectifs de ce TP sont de : -­‐ déterminer les caractéristiques électriques du haut-­‐parleur (résistance et inductance propre) -­‐ déterminer les caractéristiques mécaniques du haut-­‐parleur (fréquence de résonance, masse et constante de raideur/rigidité de la suspension) 1. Caractéristiques électriques du haut-­‐parleur En régime sinusoïdal forcé de pulsation 𝜔, l’impédance complexe du haut-­‐parleur peut se mettre sous la forme : 𝑍 𝜔 = 𝑅 + 𝑗𝐿𝜔 + 𝑍! 𝜔 où : -­‐ 𝑅 est la résistance équivalente du haut-­‐parleur -­‐ 𝐿 est l’inductance propre du haut-­‐parleur -­‐ 𝑍! 𝜔 est l’impédance motionnelle du haut-­‐parleur, dépendant des paramètres mécaniques. La courbe 𝑍 𝜔 est représentée sur la figure ci-­‐dessous. Le pic aux basses fréquences correspond à la résonance de l’impédance motionnelle. 2 TP I3 : Etude d’un haut-­‐parleur électrodynamique On montre que l’impédance complexe Z(j ) du haut-parleur s’écrit :
Z (j ) R jL
Zm
Module de l’impédance Z du haut-parleur
Zm est liée au mouvement de la m
résonance
Zm s’appelle : impédance motion
motere = bouger)
Zm présente une résonance aux b
la résistance R existe à toutes les
aux fréquences élevées, Z(j ) aug
l’inductance L
Pour déterminer l’impédance du haut-­‐parleur, on réalise un montage série entre le haut-­‐parleur et une résistance 𝑟 = 22 Ω. Ce montage est alimenté par une tension sinusoïdale d’amplitude 5 V et de fréquence variable. On mesure alors, pour différentes fréquences l’amplitude 𝑈!" de la tension aux bornes du haut parleur (voie 1 de l’oscilloscope) et l’amplitude 𝑈! de la tension aux bornes de la résistance 𝑟 (voie 2 de l’oscilloscope). Préparation : Déterminer l’expression de 𝑍 𝜔 en fonction de 𝑈!" , 𝑈! et 𝑟 . Expérience : Réaliser le montage et indiquer sur un schéma les branchements à effectuer pour les deux voies de l’oscilloscope. Quel problème se pose ? Utiliser une sonde différentielle pour résoudre le problème. Pour différentes fréquences, mesurer à l’oscilloscope l’amplitude 𝑈!" de la tension aux bornes du haut parleur l’amplitude 𝑈! de la tension aux bornes de la résistance 𝑟 . Interprétation : À partir de vos mesures, tracer le graphique 𝑍 𝜔 et en déduire une mesure de la résistance et de l’inductance propre du haut parleur. En confrontant les résultats des différents groupes, déduire l’incertitude associée à ces mesures. 2. Caractéristiques mécaniques du haut-­‐parleur Les propriétés mécaniques (i.e. motionnelle) du haut-­‐parleur sont liées à la suspension, qui assure le rappel de la bobine et de la membrane vers leur position d’équilibre. En modélisant l’action de cette suspension par une force de rappel élastique, la fréquence de résonance de l’impédance motionnelle se produit à une pulsation : 𝜔! =
𝑘
𝑚 + 𝑚!
où : -­‐ 𝑘 est la constante de raideur de la suspension -­‐ 𝑚 est la masse de la membrane et 𝑚′ une éventuelle masse posée sur la membrane. Expérience : À l’aide de patafix, fixer une pièce de monnaie sur la membrane du haut-­‐parleur. Mesurer la fréquence de résonance du haut-­‐parleur, puis peser la masse 𝑚′ de la pièce (avec la patafix). Renouvelez l’opération pour différentes pièces (10 centimes, 20 centimes, 50 centimes, 1 euro, 2 euros) puis en l’absence de pièce. Interprétation : À l’aide d’une régression linéaire pertinente, déterminer la masse de la membrane et la constante de raideur de la suspension.