Ce fil a pour objet de démystifier la technologie de l'asservissement en pression des HP.
Pour y parvenir, je suis en train de développer un kit permettant de réaliser une enceinte asservie suivant les modes Cfbv (Cinétic feedback le v signifiant que l'amplificateur est du type tension entrante -> tension sortante) et Cfbi (Cinétic feedback le i signifiant que l'amplificateur est du type tension entrante -> courant sortant) Les deux fonctionnent différemment.
Afin de bien discerner les possibilités d'un asservissement, j'ai opté pour un premier jet sur le contrôle d'un HP de 5" de chez Peerless: Le HDS-135F25CP03-04 en stock chez TLHP. L'amplificateur est un LM3886, dont la disponibilité, en cette période de crise, est moins évidente.
Afin de faciliter les comparaisons de mode, les modules Cfbv et Cfbi seront interchangeables. Ils ont un circuit commun, le convertisseur tension d'entrée -> tension image de la vitesse à contrôler. Je reviendrai sur la signification et le rôle de ce circuit.
Ceux qui chargeront Microcap V12 pourront bénéficier des documents développés à cet effet et modifier les paramètres majeurs du HP au profit du HP de leur choix. L'ensemble des valeurs nécessaires aux circuits se mettant automatiquement à jour. Ce soft est gratuit, un lien permettant de le charger est présent sur mon blog.
Pour les autres, je vais devoir réaliser un tableau Excel qui donnera les valeurs requises, mais ne permettra pas de visualiser les performances, ni faire le choix de l'ampli ad hoc.
La connaissance du fonctionnement intime du HP et sa boite close, de leur représentation par analogie, d'une idée de ce qu'est un servomécanisme ne peuvent qu'aider à la compréhension. Des documents sont disponibles sur mon blog. Son accès est immédiat à côté du voyant de présence et MP de l'un de mes messages.
En dehors de ça, l'optimum serait que les spécialistes d'une discipline aide ceux qui ne le sont pas. Réaliser une enceinte peut faire appel à de nombreux corps de métiers, Soyons au service les uns des autres.
=====================================================================================================================================================
Première idée d'asservissement en pression d'un HP. Le principe consiste à comparer, le signal de sortie d'un microphone (micro) placé au plus près de la membrane d'un HP, au signal entrant . Ce signal résultant, peut être considéré comme un signal d'erreur, à la condition que la chaine de retour (celle qui correspond au signal fournit par le micro, tracée en rouge)reste en relation , même partielle, avec le signal entrant.
La partie tracée en noir correspond à ce que l'on appelle "la chaine directe". Le signal d'erreur n'étant pas appliqué (déconnecté), fait correspondre la chaine de reproduction à celle d'une installation traditionnelle.
Le signal d'erreur appliqué, le système de retour (tracé en rouge), étant supposé parfaitement étalonné, boucle le système et le fait s'apparenter à un organe de contrôle,ou servomécanisme, ou encore asservissement.
Ce schéma de base n'est pas vectorisé, autrement dit les grandeurs qui l'animent ne sont pas apparentes, pas plus les transferts opérés, ce qui fait que son analyse ne reste qu'intuitive. Rien ne nous montre ses qualités ou ses défauts. Une chose est claire, le signal électrique appliqué, auquel est retranché le signal d'erreur, puis appliqué à l'entrée de l'amplificateur, dont la sortie est reliée au HP, transcrit le signal électrique de sortie de l'amplificateur en pression sonore.
La pression sonore est-elle à l'image du signal entrant ? Rien ne permet de l'affirmer et encore moins d'en qualifier les effets.
Sans approfondir le rôle de chacun des éléments qui constitue le système, il est impossible de cerner finement le résultat résultant de leur assemblage.
esscobar a répondu
C'est assez difficile d'utiliser ce genre de système, car la distance et la SD du HP influence énormément la réponse, plus un HP est de grand diamètre et plus le microphone est près de la membrane moins la mesure est fiable en montant en fréquence car il y a une perte de niveau dans ce genre de mesure en augmentant en fréquence
Tant que l'on considère que le HP fonctionne en piston, et que le micro (supposé momentanément parfait) est placé dans sa zone de Fresnel, qu'il est à une distance très supérieure au déplacement max de la membrane, la prise de son peut être considérée correcte. Mais, la présence du dôme, dont le rayonnement diffère de celle d'un piston, est un problème à considérer. Les dômes inversés en réduisent l'influence.
Et puis cette distance est la cause d'un retard moyen (délai) t=dhm/c de la prise de son du HP par le micro. dhm est exprimé en mètre, c, la célérité sonore en m/s. Ce qui motive la nécessité d'une grande distance de prise de son est que le délai instantané dépend aussi du déplacement xd instantané de la membrane. On peut l'écrire ti= (dhm-xd)/c ou ti=t - (xd/c). Le rapport xd/c implique une erreur de lecture de la pression sonore du HP vers le micro.
Elle est minimisée si t le temps moyen de prise de son est bien plus grand que celui xd/c dû au déplacement Xmax de la membrane, ce qui signifie aussi que dhm doit être bien supérieur à Xmax. ( dhm >>Xmax)
De plus, la célérité sonore c dépend de l'état du milieu
Remarque; Les éléments colorés en rouge sont à définir. Ils le seront dans les documents qui concernent le HP et sa boite close, en cours de refonte.
En résumé les conditions, pour que la lecture de la pression délivrée par la membrane soit satisfaisante, sont trop contradictoires pour continuer dans ce sens. D'autant qu'en supprimant l'espace qui règne entre le HP et le micro, le délai de transmission, cause d'incertitudes et dysfonctionnements, est supprimé.
Ce qui conduit à ce schéma de base dans lequel, les grandeurs et transferts apparaissent .
Dans lequel;
Vi ..........; est la tension d'entrée. Elle est pour un servomécanisme, la consigne,
Via ........: la tension d'entrée de l'amplificateur,
Amp ......; le gain en tension de l'amplificateur. Il est définit par le rapport entre sa tension de sortie et sa tension d'entrée. Amp=Vsa/Via.
Il existe d'autres formes d'amplification. Pour le Cfbi ce sera la transconductance gamp=Isa/Via qui dominera.
Vsa, Isa .: les tensions et courants délivrées par l'amplificateur et appliquées au haut parleur
Pa ........: la pression acoustique délivrée par le HP. Elle est transmise au milieu ambiant, qui la transporte jusqu'aux oreilles de l'auditeur distant.
Thp .....: la fonction de transfert du HP. Elle est rapport entre la pression exercée par le HP sur la tension électrique présente à ses bornes. Thp=Pa/Vsa
Il est très possible de la caractériser à travers le courant Isa fournit par l'amplificateur et le débit d'air (flux de vitesse) du HP.
Pr .......: la pression récupérée par le micro, en opposition de phase, vis-à-vis de l'orientation généralement admise pour un micro et adoptée sur le premier schéma.
Pour un servomécanisme, le micro fait office de capteur
Amc ....: le gain en tension du préamplificateur du micro. Il est suivi par un inverseur de phase pour compenser l'orientation du micro.
Vr .......: est la tension de sortie de l'ensemble préamplificateur micro et inverseur de phase.
epsilon : correspond à la tension d'erreur en sortie du soustracteur qui effectue la comparaison entre la tension d'entrée Vi et la tension de retour Vr.
Afin de d'ajuster la tension Vr sans modifier la chaine directe, le gain Amc est variable. La flèche oblique l'indique.
Tel quel, ce montage est imparfait. Il n'a que pour avantage de montrer que le capteur doit être le plus solidaire possible de l'élément à contrôler. Il laisse aussi supposer que le capteur est capable de reproduire fidèlement, sous forme électrique, le vecteur majeur à contrôler. Sachant que le dit vecteur, ici la pression, appartient au domaine de l'acoustique. La connaissance de son facteur de conversion km=Vm/Pa est nécessaire. Elle correspont à une valeur moyenne du transfert du micro, ou selon le fabricant d'une veleur du transfert à une fréquence fixe (en génaral 500Hz) Dans le cas d'un micro, le facteur km correspond à sa sensibilité. Dans cette approche, le micro va vite disparaitre, pas les vecteurs. Ce sont les analogies électro, mécano, acoustique qui permettent d'établir les liens entre les trois domaines et ainsi n'avoir à travailler qu'avec les éléments et lois d'un unique domaine, qu'est celui de l'électricité.
Zone de Fresnel Le mode de propagation sphérique correspond à de nombreuses sources sonores. Un haut-parleur agit différemment. Il se comporte comme un piston. La progression de l'onde sonore émise peut être décrite en deux zones. La zone de Fresnel qui est la zone de champ proche du haut-parleur et la zone de Fraunhofer qui est la zone de champ lointain.
La source, le piston génère une onde plane qui est conservée dans la zone de Fresnel. Dans cette zone, son intensité sonore (analogue à une puissance) ne varie pas en fonction de la distance. Autrement dit, elle se propage dans un cylindre fictif dont le diamètre Dd est celui du diaphragme du HP. La longueur Lf de ce cylindre, est: Lf=Dd²*F/2.c ; F est la fréquence du signal et c la célérité de l'air. La longueur de la zone de Fresnel dépend donc du carré du diamètre du HP, de la fréquence, et de la célérité sonore. cette dernière dépendant de l'état de l'air (température, hygrométrie, pression atmosphérique).
Au delà de cette distance, la propagation devient progressivement sphérique.
Pour un HP dont le diamètre radiant est de 30cm à 50Hz,et une célérité de 340m/s, la longueur de la zone de Fresnel est de 6,6mm. A 500Hz de 66mm.
le_flo_comtois :interroge
Tu as raison et ta question est très pertinente.Intéressant, mais je suppose que la forme de la membrane - non plane - et le dôme central viennent bien compliquer les choses, tout en conservant le principe et l'ordre de grandeur ?
Un exemple type est le T215 de chez Supravox dont le profil de membrane est exponentiel, ce qui le fait échapper à la simplification qui consiste à considérer la membrane comme un piston.
Pour les HP à membranes coniques, en fait tronconique, le fabricant choisit la conicité de la membrane en fonction de la célérité du matériau qui la compose, afin que le front d'onde à la grande base du tronc de cône soit plan. Pour que le front d'onde sortant soit pistonique (en réalité torique), Il faut que le temps de propagation dans l'air, sur la hauteur du cône ou tronc de cône, soit égal au temps de propagation dans le matériau sur la longueur de l'apothème (la partie oblique) du cône ou tronc de cône. tmat=tair; tmat étant le temps de propagation dans le matérau et tair celui dans l'air tmat=Lapothème/cmat et tair=h/cair.; cmat célérité du son dans le matériau et cair dans l'air. En partant de l'égalité entre les temps de propagation, on déduit l'angle qui définit la conicité du HP.
tair=tmat <=> h/cair=Lapothème/cmat <-> h/Lapothème = cair/cmat ; or, h/Lapothème correspond au cosinus du demi angle au sommet du cône. L'angle au sommmet a= 2.arccos( h/Lapothème)
Pour le dôme, c'est une autre histoire. En l'imaginant solidaire de la petite base du tronc de cône, sachant que son mode de rayonnement est différent d'un piston, il. perturbe le raisonnement mené en mode pistonique.
Parler de mode pistonique est une simplification. Rentrer dans le gras est ardu et lourd de conséquences. J'en ai commencé la rédaction dans la refonte du chapitre HP. Momentanément, il est préférable de négliger la présence du dôme et ne l'aborder qu'en toute fin de cette initiation.
Cette figure illustre, la conicité de la membrane et les zones de propagation de l'onde sonore générée par le supposé piston. Pour faciliter la compréhension, la membrane est supposée parfaitement conique.
Les transferts opérés étape la plus difficile. Si vous la franchissez c'est presque gagné
J-C.B interroge
Que pensez-vous du fait que le HP qui reçoit un signal électrique, le restitue en pression acoustique. Comment l'expliquer ? Comment le quantifier ?
De la même manière, comment un HP soumis à une pression acoustique, voit apparaitre une tension électrique à ses bornes ? Comment l'expliquer, comment le quantifier ?
Existe-t-il une relation de cause à effet entre les deux phénomènes observés ? Si oui comment l'interpréter, comment l'exploiter dans le cadre de ce fil ?
En réponse : le_flo_comtois
C'est un bon fil directeur,Je me lance :
1- la bobine reçoit une puissance électrique
2- elle génère un champ magnétique
3- placée dans le champ de l'aimant elle subit donc une force
4- Newton nous dit que la force génère une accélération
5- donc un déplacement de la bobine + membrane
6- ce déplacement génère une onde sonore
Tout cela est réversible
En reprenant chacun de tes points, en me limitant momentanément au réseau électrique sachant qu'un HP possède 3 domaines (ou réseaux) distincts interdépendants, à savoir l'électrique, le réseau mécanique et le réseau acoustique. Les deux autres réseaux seront décrits par la suite.
1- Cette puissance instantanée délivrée par l'amplificateur, est caractérisée par la tension instantanée appliquée aux bornes électriques (Cfbv), de son réseau électrique. Ou d'un courant non moins électrique issu d'un générateur de courant destiné à parcourir ledit réseau(Cfbi). La partie purement électrique est composée d'une inductance résistive qui peut être apparentée à une inductance pure en série avec une résistance pure aussi. La bobine baigne dans un champ magnétique d'induction B exprimé en Tesla (anciennement en Gauss 1T=10 000G)
La résistance Re consomme de l'énergie, qu'elle transforme en chaleur. Alors que la bobine à travers la longueur l du fil conducteur (de l'électricité et de la chaleur) qui la constitue et du courant instantané qui la parcourt
-(2) provoque avec l'induction B une
-(3) force instantanée mécanique axiale du HP fmo=B.l.i, découverte et quantifiée par Laplace, appliquée aux éléments mécaniques du HP.
-(4) Cette force engendre le déplacement (x) de la bobine à une vitesse (v) et une accélération (g) car le mouvement donc la vitesse sont continument variables. Cette force fmo est transmise à tous les éléments mécaniques du HP concernés par la transformation du signal électrique entrant en pression sonore sortante.
Mais, La vitesse v du mouvement engendre une force contre électro motrice (fcem) dans le réseau électrique d'entrée qui s'oppose (d'ou le terme contre électro motrice) à la tension électrique d'entrée. Il s'agit de la réaction de la sortie sur l'entrée. Nous n'y sommes pas encore, mais nous nous apercevrons vite que la vitesse v est un vecteur engendré (réseau mécanique) ou reporté (réseaux électrique et acoustique) de ce fait présent sur l'ensemble.
Dans un premier temps, cela permet de voir qu'il existe une passerelle à double sens entre le réseau purement électrique et le réseau mécanique à travers le produit B.l nommé facteur de force. Sans s'appesantir sur son origine, la fcem=-B.l.v. . On peut montrer que le lien bidirectionnel entre les 2 réseaux a les caractéristiques d'un gyrateur de résistance de gyration B.l.
La bobine se meut dans un champ magnétique supposé canalisé dans l'entrefer d'une plaque de champ et d'un noyau. Il s'avère que les variations du champ magnétique provoqués par la bobine sont aussi transmis au circuit magnétique et plus particulièrement au noyau. Ce dernier est parcouru par des courants découverts par Léon Foucault en 1851. Par induction ils créent une autre force conte électro motrice uf dont il faudra tenir compte pour le Cfbv et pas pour le Cfbi.
Un dessin récapitulatif dans lequel:
ue est la tension appliqué au HP, i le courant qui y circule, ure la tension qui apparait aux bornes de la résistance Re, uLe, celle aux bornes de Le, uf la tension image des courants de Foucault, B.l.v la force contre électromotrice, fmo la force transmise au réseau mécanique du HP et v la vitesse instantanée qui anime l'équipage mobile.
Remarque: Le est un composant réactif. l'intégrer dans les calculs nécessite l'emploi des nombres complexes, pas si complexes que ça. Ils seront développés sommairement dans le post 2 de cette page.
Question posée par Esscobar.
Ze, dénommée Zeo sur le schéma, représente la résistance purement électrique de la bobine en série avec l'inductance (appelée communément self) Le. Re consomme de l'énergie et la restitue sous forme de chaleur, alors que Le de par ses propriétés électro-magnétiques en baignant dans le champ magnétique présent dans l'entrefer, engendre la force qui crée le mouvement.Ze représente quoi déjà ?
Pour donner une idée, le circuit simple d'un générateur de tension sinusoidale (1v d'amplitude Max, à une fréquence F=1kHz) Chargé par un circuit composé d'une résistance R=2 Ohms en série avec une inductance L= 318 µH. Valeur choisie pour que la réactance de la bobine XL=2.pi.F.L à 1kHz soit égale à la valeur de R. Ce circuit équivaut à celui d'une bobine mécaniquement bloquée, sans mouvement ce qui implique que la fcem est nulle. De même les effets des courants de Foucault sont négligés.
En régime établi on peut voir que la tension aux bornes de la résistance suit temporellement le courant i. Il n'en est pas de même avec la tension aux bornes de L qui est en avance d'un temps T/4 sur celui du courant. T=1/F étant la période du signal, cette avance de la tension sur le courant correspond à un angle de phase de 90° En considérant j comme un opérateur de rotation de 90°(Pi/2 radians), l'impédance de l'inductance ZL = j.L.w avec w=2.pi.F
Ce graphe, montre bien, que, quelle que soit la fréquence, la phase de la tension aux bornes de l'inductance L est en avance de 90° sur la tension aux bornes de la résistance. Il en est de même entre une masse mécanique et une résistance mécanique, et de même entre une masse acoustique et une résistance.
Cet autre diagramme, dit de Fresnel, montre la composition des tensions aux bornes de Re et Le ainsi que sa résultante géométrique Uzeo qui n'est autre que la tension appliquée aux bornes du HP, la bobine bloquée (B.l.v=O). La tension Uf image des effet des courants de Foucault est omise. L'angle de phase alpha est celui qui existe entre l'origine des phases, et la tension appliquée.
2° question d'Escobbar
Si tu parles de la tension de sortie de l'ampli, elle est appliquée à l'ensemble Re,Le, et fcem le tout en série. Vu qu'il s'agit d'un circuit série, le courant qui circule dans le circuit complet (ou réseau électrique) est commun à tous les éléments.Car dans un système non-asservi, la Fem de l'ampli est au bornes de quoi
Bien évidemment, je n'inclus aucun filtre passif qui viendrait s'intercaler entre l'ampli et le HP. La présence du fil qui relie l'ampli au HP est également omise.
...
Créé le 21 Sep 2014 19:06
