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LA BANDE PASSANTE DES HAUT-PARLEURS

En se basant sur le fonctionnement des cordes vocales, l’Homme a copié la nature pour mettre au

point des émetteurs de sons artificiels : les haut-parleurs.

Les haut-parleurs, majoritairement électrodynamiques, ne possèdent pas tous les mêmes caractéristiques

techniques.

Document 1 : Caractéristiques techniques d’un haut-parleur

Les caractéristiques d’un haut-parleur sont toujours indiquées sur la fiche technique du constructeur. * La bande passante d’un haut-parleur est le domaine de fréquences des sons qu’il est capable de restituer. La bande passante se déduit de la courbe de réponse du haut-parleur. Cette courbe est la représentation graphique du niveau d’intensité sonore obtenu, exprimé en dB, en fonction de la fréquence de la tension qui l’alimente, exprimée en Hz.

Un boomer (ou woofer) est un haut-parleur dont la bande passante est située dans les basses fréquences. Il restitue les sons graves, ceux situés entre 20 Hz et 500 Hz. (d'un point de vue étymologique, les mots « boomer » et

« woofer » viennent de l'anglais et sont définis à partir d'onomatopées représentant, respectivement, les sonorités un bruit sourd (« boom-boom ») et d'un chien aboyant (« woof-woof »). Le boomer peut être complété par un subwoofer pour la restitution des sons les plus graves. Ceci est assez courant, par exemple dans les installations de home cinemas (cinémas maison), sous la forme d'un "caisson de grave". Lorsqu'ils rentrent dans la composition des enceintes acoustiques, les boomers sont toujours associés à d'autres haut-parleurs pour la restitution des fréquences qu'ils ne peuvent pas reproduire : les médium qui restitue les sons de fréquences moyennes et les tweeter pour les sons aigus. Bande passante de trois haut-parleurs * La couverture angulaire d’un haut-parleur est son aptitude à diffuser des sons dans la plan horizontale et dans le plan vertical. * La puissance admissible d’un haut-parleur est la puissance électrique maximale qu’il peut supporter sans dégâts. Au-delà de cette valeur, le haut-parleur sera endommagé. * Le rendement d’un haut-parleur mesure sa faculté à transformer la puissance électrique reçue en puissance mécanique.

Extrait des spécifications techniques du B&C DE35, du B&C 8PE21 et du B&C 12PS100.

On se propose ici la bande passante des haut-parleurs.

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I. Etude expérimentale.

Vous disposez d’un haut-parleur :

peut-on le qualifier de « tweeter », de « médium » ou de « boomer » ?

Après avoir rappelé les différentes conversions énergétiques qui ont lieu dans un haut-parleur, vous

argumenterez votre réponse grâce à l’expérience suivante que vous décrirez :

A l’aide du montage proposé comprenant un haut-parleur, un GBF, un oscilloscope et un

sonomètre, tracer expérimentalement le graphe du niveau sonore perçu à 10 cm du haut-parleur en

fonction de la fréquence du son émis.

L’amplitude du son émis grâce au GBF doit rester constante. Le vérifier à l’aide de l’oscilloscope.

II. Etude documentaire.

Pour caractériser les différents haut-parleurs, on

étudie le lien entre l’amplitude et la fréquence du signal qu’ils

émettent à l’aide de la même expérience précédente représentée ci-

contre :

Document 2 : La bande passante à – 3 dB

Une fréquence de coupure à – 3 décibels est une fréquence pour laquelle le gain en tension vérifie :

G(F- 3dB) = Gmax – 3dB ou A(F- 3dB) = 𝐴𝑚𝑎𝑥

√2

Gmax est la valeur maximale du gain en tension G (dB). L’amplification A est égale au rapport de l’amplitude UM du signal électrique délivré par le microphone par l’amplitude UG du signal délivré par le générateur BF. La bande passante à – 3 dB est l’intervalle de fréquence limité par les deux fréquences de coupure à – 3 dB.

1. Rappeler le domaine d’audibilité de l’oreille humaine.

2. Déterminer la bande passante à -3 dB de chaque haut-parleur.

3. Etablir une correspondance entre le diamètre du haut-parleur et sa bande passante.

4. Etablir une correspondance entre le diamètre du haut-parleur et l’ordre de grandeur de la longueur

d’onde des sons émis.

Montage expérimental

Courbes de gain en décibel de trois haut-parleurs différents. La première zone (F < 20 Hz) correspond aux infrasons. Les ultrasons ont une fréquence supérieure à 20.103 Hz.

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CORRECTION : La bande passante des haut-parleurs

I. Etude expérimentale.

Expérience :

On fait varier la fréquence du haut-parleur à l’aide d’un GBF.

On relève le niveau sonore à l’aide d’un sonomètre.

Afin de maintenir une amplitude sonore constante, on relie le haut-parleur à un oscilloscope pour veiller à ce que

le son présente toujours la même amplitude (au besoin, on ajuste celle-ci via l’amplitude du GBF). En effet, on

souhaite étudier le niveau sonore en fonction de la fréquence donc tous les autres paramètres, amplitude comprise, doivent

rester fixes !

Observations : On réalise le tableau de valeurs ( f ; L )

f (Hz)

L (dB)

On peut aussi représenter le graphique correspondant comme dans le document 1 :

Interprétations : Le niveau sonore est maximal pour une fréquence appartenant à [ 80 ; 800 ] hertz.

Il s’agit de sons de moyenne fréquence.

Conclusion : D’après le document 1, comme les sons de moyenne fréquence sont transmis, on en

déduit qu’il s’agit d’un haut-parleur médium.

Rq : * Le GBF envoie de l’énergie électrique au haut-parleur. Ce dernier est constitué d’une bobine enroulé dans un aimant. Lorsque la bobine est traversée par un courant électrique alors elle subit une force de Laplace puisqu’elle est plongée dans un champ magnétique. La bobine se met donc en mouvement de va-et-vient entrainant avec elle la membrane du haut-parleur qui lui est liée. Cela induit alors des compressions et dilatations des molécules d’air au contact de la membrane. Cette perturbation va se propager dans tous l’espace engendrant le son, une onde longitudinale.

GBF

Sonomètre

Haut-parleur

Oscilloscope

60 80 800

f (Hz)

L (dB)

Représentation graphique du niveau sonore L d’un haut-parleur en

fonction de sa fréquence f.

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II. Etude documentaire.

1. Le domaine d’audibilité de l’oreille humaine s’étend de 20 hertz à 20 000 hertz : [20 ; 20.103] (Hz)

2. La bande passante à -3 dB de chaque haut-parleur correspond au domaine de fréquences pour lequel le

gain est compris dans l’intervalle [Gmax – 3 ; Gmax] (en dB).

Cela correspond au domaine de fréquences pour lequel la courbe de gain est au-dessus de la ligne verte soit :

- [10 ; 2 000 ] (en Hz) pour le boomer (diamètre large) ;

- [60 ; 900 ] (en Hz) pour le médium ;

- [100 ; 10 000 ] (en Hz) pour le tweeter (diamètre fin).

3. diamètre(boomer) > diamètre(médium) > diamètre(tweeter)

D’après les résultats précédents, plus le diamètre du haut-parleur est large (boomer), plus le son

présente une bande passante à -3 dB dans les basses fréquences, c’est-à-dire qu’il sera grave.

En effet, boomer vient de l’anglais « faire des onomatopées » ou encore faire « boom-boom », un son grave. Parfois, on

parle de woofer (en référence au woof-woof d’un chien).

4. Plus le diamètre du haut-parleur est grand, plus le son présente des basses fréquences et par conséquent

des longueurs d’ondes élevées car la longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence (λ = 𝒄

𝒇 ).

Courbes de gain en décibel de trois haut-parleurs différents.