Haut-parleurs : les nouveaux matériaux de l’acoustique

Il existe aujourd’hui de nom­breux mod­èles de haut-par­leurs, pro­duits sous dif­férentes tailles. Ces mod­èles utilisent en général la méth­ode clas­sique mise en place par Wern­er von Siemens, fon­da­teur de Siemens, au XIX^e siè­cle. Cette méth­ode con­siste à cou­pler un aimant avec le mou­ve­ment d’une bobine de cuiv­re pour faire vibr­er une mem­brane en forme de cône. 

Ces deux pre­miers élé­ments sont déjà lourds, deman­deurs de place, et chers à pro­duire. Mais ils pour­raient bien être rem­placés, en plus de la mem­brane en forme de cône, par une sim­ple mem­brane élas­tomère diélec­trique, et quelques tours de magie scientifique.

L’élastomère, plus com­muné­ment appelé caoutchouc, est une matière extrême­ment flex­i­ble. La car­ac­téris­tique diélec­trique sig­ni­fie que cette nou­velle mem­brane ne con­duit que très peu le courant élec­trique. C’est en ajoutant une graisse con­duc­trice (for­mant une élec­trode) sur cha­cune de ses faces qu’un sig­nal élec­trique trans­mis fera réa­gir la matière flex­i­ble, provo­quant les vibra­tions néces­saires à l’envoi d’ondes sonores.

Cette méth­ode pour­rait per­me­t­tre de créer une nou­velle généra­tion de haut-par­leurs. Corinne Rou­by, enseignante-chercheuse en mécanique à l’ENSTA Paris (IP), a co-dirigé, avec Olivi­er Doaré, pro­fesseur en mécanique, la thèse d’Emil Gar­nell, visant à opti­miser cette nou­velle tech­nique²³.  

« Pour pro­duire un haut-par­leur par­fait, il faut respecter trois critères : le ren­de­ment, l’équilibre spec­tral et la linéar­ité,explique Olivi­er Doaré. L’objectif est d’émettre le plus d’énergie acous­tique pos­si­ble avec le moins d’énergie élec­trique pos­si­ble (le ren­de­ment). Il faut égale­ment repro­duire le plus fidèle­ment le sig­nal élec­trique trans­mis sous forme d’onde acous­tique (l’équilibre spec­tral). Et cela, quelle que soit la puis­sance du son souhaitée (la linéar­ité). »

Pour pro­duire un haut-par­leur par­fait, il faut respecter trois critères : le ren­de­ment, l’équilibre spec­tral et la linéarité. 

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D’autant que le rôle des haut-par­leurs n’est pas for­cé­ment d’émettre le son le plus fort, mais plutôt de rester fidèle au son qu’il ren­voie. Le choix d’une mem­brane élas­tomère diélec­trique pour­rait non seule­ment alléger l’objet, mais encore pro­duire un son tout aus­si fidèle, en respec­tant quelques con­di­tions. Le tout, au tra­vers d’une pro­duc­tion bien moins coûteuse. 

« L’intérêt de la recherche pour les élas­tomères diélec­triques a pris de l’ampleur depuis les années 2000⁴, se remé­more Corinne Rou­by, mais les appli­ca­tions n’étaient pas directe­ment liées aux haut-par­leurs. » Pour autant, les car­ac­téris­tiques de ce type de matière l’ont rapi­de­ment placé dans le domaine acous­tique. « Les haut-par­leurs clas­siques sont lourds et assez chers à pro­duire. Ce qui est dû à l’utilisation d’aimants, qui ne sont pas néces­saires. », affirme-t-elle.

L’idée de la mem­brane en élas­tomère diélec­trique pour­rait donc rem­plac­er et la bobine et l’aimant. Plus léger, ce nou­veau mod­èle sem­ble promet­teur pour l’industrie des haut-par­leurs, mais reste dans une phase encore expéri­men­tale. « Cette thèse, bien que ter­minée, a encore voca­tion à enrichir la recherche, pré­cise la chercheuse. La suite est entre les mains d’un chimiste en post­doc­tor­at qui a pour objec­tif d’améliorer le cou­plage entre les dif­férents matéri­aux. » 

Ce type de haut-par­leurs n’en est encore qu’à la phase expéri­men­tale, et son indus­tri­al­i­sa­tion ne sera pas pour demain. Les résul­tats restent suff­isam­ment promet­teurs pour avoir le mérite d’être appro­fondis, mais révè­lent cepen­dant de nom­breuses con­traintes qui doivent encore être dépassées.

Tout d’abord, la mem­brane élas­tomère est sou­ple, mais aus­si très frag­ile. « Des ten­sions trop impor­tantes peu­vent engen­dr­er un arc élec­trique et ren­dre la mem­brane inutil­is­able, explique Corinne Rou­by. Notam­ment pour les bass­es fréquences qui deman­dent beau­coup d’énergie à trans­met­tre, et qui induisent de plus grands mou­ve­ments frag­ilisant davan­tage la mem­brane. »

Pour ce nou­veau type de haut-par­leurs, les chercheurs ont tra­vail­lé sur la forme à don­ner aux élec­trodes (au tra­vers de la graisse con­duc­trice), afin de pro­duire tout type de fréquences. « Chaque mode de vibra­tion peut entraîn­er des réso­nances dans l’objet, explique la chercheuse. Il est donc néces­saire de les con­trôler pour que le haut-par­leur ne favorise pas cer­taines fréquences. »⁵ L’équilibre fréquen­tiel peut aus­si être obtenu par un fil­trage du sig­nal élec­trique envoyé au haut-par­leur⁶.

Une con­trainte de taille a aus­si été iden­ti­fiée : « Au lab­o­ra­toire, notre haut-par­leur était accom­pa­g­né d’un con­trôleur de pres­sion qui per­me­t­tait de gér­er les dif­férentes fuites au sein de la cav­ité. Imag­in­er un tel mécan­isme dans un salon n’est pas encore pos­si­ble. », con­cède-t-elle. Bien que ce prob­lème her­mé­tique soit réel, il est une con­trainte tech­nique que Corinne Rou­by ne con­sid­ère pas comme infranchissable.

Une fois ces obsta­cles sur­passés, ce type de haut-par­leurs pour­ra être indus­tri­al­isé mas­sive­ment. Moins cher et plus léger, ses appli­ca­tions peu­vent faire rêver. Olivi­er Doaré, co-directeur de cette thèse, tra­vaille actuelle­ment sur un sys­tème sim­i­laire pour les écou­teurs. En util­isant des mem­branes, cette fois-ci, pié­zoélec­triques, cette avancée sci­en­tifique pour­rait se retrou­ver prochaine­ment dans nos oreilles. 

Pablo Andres