Plan

                          1 – Introduction

                          2 – Présentation

                          3 – Mesures

                          4 – La membrane

                          5 – Conclusion & Bibliographie

                          Fiche Synoptique

On néglige souvent la qualité sonore d’un média au profit de la qualité vidéo… Pourtant, les audiophiles ne se satisferont pas d’un haut-parleur incapable de restituer correctement les graves et les aigus. De nombreux types de haut-parleurs existent mais les meilleurs d’entre eux sont les haut-parleurs électrostatiques, dotés d’une dynamique et d’une fidélité de reproduction du son sans comparaison. Réservés bien souvent aux milieux professionnels, ceux-ci tiennent leurs qualités auditives par leur structure radicalement différente des haut-parleurs « standards », dits électrodynamiques.

Une membrane plane, est recouverte d’une pellicule conductrice en Mylard chargée. La membrane est mise en mouvement par la différence de potentiel entre celle-ci et les plaques perforées situées de part et d’autre de la membrane pour être acoustiquement transparentes. Ces plaques sont parcourues par un signal haute tensions dont les variations sont proportionnelles à celle du signal audio entrant. Pour contrôler la directivité du haut parleur, des câbles circulaires ou des bandes sont placés sur la membrane.

Principe de fonctionnement :

Le signal entrant correspondant au signal audio fourni par l’amplificateur va être réamplifié grâce à un survolteur a pour tâche d’augmenter la tension du signal jusqu’à 5000 volts et de dupliquer antisymétriquement la tension amplifiée en deux tensions, pour chacune des deux électrodes.

Un circuit relié au point milieu du transformateur permet de charger la membrane pour quelle soit sensible électrostatiquement aux tensions appliquées aux électrodes.

La membrane subie alors une force

ce qui implique son mouvement et la création du son par les variations de pression à la surface de la membrane.

Néanmoins, elles ont été effectuées, dans la mesure du possible, dans les mêmes conditions expérimentales. Par la suite, les courbes pour l’ESL et le haut-parleur testé ont les mêmes axes en abscisse mais deux axes en ordonné différents et indépendant du à l’utilisation d’une amplification.

Réponse en fréquence :

Le haut-parleur est situé à un mètre d’un micro directif. Le gain obtenu par division de la tension de sortie sur la tension d’entrée.

Ce qui importe, ce sont les variations d’amplitude pour une plage de fréquence donnée. En effet, plus cette amplitude sera faible, plus la reproduction de toutes les fréquences sera fidèle.

Analyse :

La courbe pour l’ESL est nettement plus régulière : variation de 7 db sur presque 10000 Hz contre moins de 3000 Hz pour le HP lambda.

La décroissance dans les graves et aigus est nettement plus rapide et retardée pour l’ESL :

• décroissance sur 30 Hz contre presque 200 Hz pour les bases fréquences
• décroissance entre 20000 et 25000 Hz contre un début de décroissance à 9000 Hz pour les hautes fréquences

L’ESL est donc nettement plus stable en fréquence sur une plage nettement plus étendu qu’un haut-parleur lambda. On peut aussi remarquer une faiblesse de ce type de haut-parleur dans les graves qui peut s’expliquer par la création d’un doublet acoustique (le son étant émis des deux cotés de la membrane) créant l’annulation en premier des ondes de basse fréquence.

Réponse à une impulsion :

Le haut-parleur est situé à 4 cm d’un micro directif. On soumet le haut parleur à une impulsion de 6.0 V pendant 40µs.

Ce qui importe, c’est le profil et le temps caractéristique de la décroissance suite à la fin de l’impulsion.

Analyse :

Le profil de décroissance du haut-parleur électrodynamique est de type pseudo sinusoïdale dont l’enveloppe a un amortissement étendu ce qui ne correspond plus du tout au profil d’entré. Au contraire, l’enveloppe de décroissance de l’ESL est plus rapidement amortie.

La courbe pour l’ESL est nettement plus fidèle à l’impulsion soumise en entrée. En effet, en 0.40 ms, elle retrouve une amplitude inférieure à 10% de celle du maximum contre 6.05 ms pour le haut-parleur électrodynamique soit 15 fois plus long.

Réponse à un signal créneau :

Le haut-parleur est situé à un mètre d’un micro directif. Le HP est soumis à un signal carré de fréquence .

Ici, c’est le temps de réponse pour attendre la valeur maximale en tension et le maintient autour de cette valeur qui est important.

Analyse :

Le temps d’accès à la valeur maximale est nettement plus court pour l’ESL ( contre pour le HP lambda soit 8 fois plus long) .

Les valeurs se maintiennent tout au long du créneau pour l’ESL. Pour le HP lambda, aucun maintient.

L’ESL est aura donc une meilleure dynamique ce qui implique une meilleure netteté du son et un « floutage » quasi absent. L’ESL se distingue aussi par sa capacité à produire des sons puissants sur une période de temps donnée.

Mesure de directivité :

Le haut-parleur est situé à 20 cm d’un micro directif. On mesure la tension de sortie pour une tension d’entrée fixée (30.27 mV). Les mesures ont été effectuées pour une fréquence de 820 Hz, 3 100 Hz et 13 100 Hz.

Ce qui importe, ce sont les variations d’amplitude en fonction de l’angle . Pour une forte décroissance de l’amplitude, le haut-parleur sera considéré comme directif et dans le cas contraire comme non directif.

Analyse :

Faible directivité pour les deux types de haut-parleur dans les graves.

Une forte directivité dans les aigus pour le haut-parleur électrodynamique suivant une fonction de Bessel.

Le graph 3D montre une faible directivité du haut-parleur électrostatique dans les aigus. Au-dessus de 13000 Hz, il a néanmoins tendance de suivre comme le haut-parleur électrodynamique une fonction de Bessel.

L’ESL est donc nettement moins directif toute fréquence confondue.

Bilan :

Il est certain que la membrane en Mylard (PET) confère aux ESL un atout indéniable face aux HP électrodynamiques en ce sens qu’ils ont une très grande dynamique et une fidélité de restitution du son à n’importe quelle fréquence audible.

Il apparait au vu des mesures effectuées précédemment que la membrane, à la structure totalement différente d’un haut-parleur électrodynamique, ne peut être que l’origine des qualités observées du haut-parleur électrostatique.

Une masse surfacique très faible :

La membrane étant excitée sur toute sa surface, elle n’a pas besoin d’être rigide et peut donc être extrêmement légère.

On utilise des membranes en PET (Polyéthylène téréphtalate : membrane de à soit plus fin qu’un sac poubelle) dont la masse surfacique est d’environ 10 g.m^-2 contre un ensemble mobile pour les haut-parleurs électrodynamiques d’environ 200 g.m^-2 à 500 g.m-2 (Ensemble comprenant la membrane mais aussi les bobines en mouvement).

Ainsi, cela explique la très bonne réponse impulsionnelle et réactivité de l’ESL ; le rendement dans les hautes fréquences étant principalement lié à la masse de la membrane.

Présence d’anneaux concentriques :

C’est le seul type de haut-parleur ayant une restitution du son du type sphère pulsante.

Ce sont les anneaux concentriques qui agissent comme lignes de retard et permettent l’illusion d’un son provenant d’une source ponctuelle procurant une plus grande fidélité pour la restitution du son d’origine.

En effet, on peut considérer que l’émission du son de la part d’un instrument de musique est décrite de façon plus réaliste par un modèle sphère pulsante que par un modèle type piston.

Une surface excitée sur toute sa superficie:

En basse fréquence, le haut-parleur électrodynamique tout comme le haut-parleur électrostatique est peu directif. L’ensemble en mouvement est modélisé par un piston rigide qui mis en équation permet l’obtention des courbes paraboliques vu au III.d.

En haute fréquence, seule la partie centrale du haut-parleur électrodynamique, la seule qui suit rigoureusement le mouvement imposé par la bobine mobile, est assimilé au piston rigide ; le reste de la membrane à un mouvement aléatoire et indéterminé du fait de la non-rigidité de la membrane. Cette zone de vibrations aléatoires provoque la formation d’angles préférentiels dans l’émission du son suivant mathématiquement une fonction de Bessel d’ordre 1 mais aussi une baisse de rendement dû à la diminution de la surface de contact entre l’air et la membrane.

Au contraire, le haut-parleur électrostatique étant excité sur tout sa surface de façon homogène ne possède pas ces zones de vibrations aléatoire et ainsi peut toujours être modélisé par le modèle du piston rigide ; du moins en théorie. En pratique, à haute fréquence, probablement après le haut-parleur électrostatique tend lui aussi vers une fonction de Bessel d’ordre 1.

Les expériences m’ont permis de constater et d’expliquer physiquement les nombreux atouts d’un haut-parleur électrostatique mais aussi ses points faibles. En effet par sa structure, -cf II. a.-, l’ESL à une membrane au débattement limité pour éviter les arcs électriques avec les électrodes empêchant l’utilisation de ce type de haut-parleur pour insonoriser une salle. De plus, le coût de fabrication (8000 $ la paire) de ceux-ci limite leur généralisation et les cantonne aux studios d’enregistrements. Cependant, on a pu voir qu’une même surface -la membrane- pouvait avoir des propriétés totalement différentes selon la technologie utilisée.

Bibliographie :

An Overview of ESL

@ http://www.music.mcgill.ca/~wes/docs/Electrostatic.pdf

Quad ESL-989 loudspeaker: Measurements

@ http://www.stereophile.com/floorloudspeakers/720/index7.html

Quad ESL-63 loudspeaker: Measurements

@ http://www.stereophile.com/floorloudspeakers/416/index11.html

Merci à John Atkinson pour sa mise à disposition des fichiers des graphiques concernant les ESL 63 et 989.

Les haut-parleurs électrostatiques
Revue du son #57 – Janvier 1958 p. 3-4