Compression thermique
La compression thermique est le phénomène que l'on peut observer de changement de valeur d'impédance d'un matériaux lorsqu'il est soumit a différente température.
Afin de rendre ma première phrase un peu plus compréhensible, nous allons prendre un exemple assez comique qui résume un exercice que certains prof de lycée font a leurs élèves. En effet, prenons une banale ampoule électrique qui sert a nous éclairer. L'ampoule est alimenté avec une tension qui va atteindre (si ce n'est pas déjà fait) 240 Volts. Le courant électrique en question est alternatif. Il a donc une fréquence de 50 Hz (les électrons changent 50 fois de sens de circulation dans le fil électrique en une seconde) et c'est pour cela que la résistance du fil est appelée "impédance".
La résistance est au courant continu ce que l'impédance est au courant alternatif.
C'est l'impédance qui nous intéresse ici puisque nous allons mettre en évidence un problème dans la bobine mobile du haut parleur. Cette bobine mobile est bien sur soumise a un courant alternatif.
Cependant, pour prendre un exemple simple, nous allons mettre en évidence le phénomène de compression thermique en mesurant la résistance de l'ampoule en question...les valeurs de résistance et d'impédance sont très proche l'une de l'autre...
Je prends donc une ampoule électrique, je mesure la résistance avec mon contrôleur universel en position ohmmètre. Je trouve 67.4 ohms. C'est la que débute le comique de la situation. Le professeur demande alors a ses élèves d'en déduire la puissance de l'ampoule, puisque nous avons la tension d'alimentation de 240 Volts d'une part et la résistance de l'ampoule d'autre part. Selon la loi d'ohms, la puissance est égal a la tension élevée au carré et divisé par la résistance...

Oui...la puissance obtenue par calcul est particulièrement élevée...Elle est a ce point élevée que la puissance écrite sur l'ampoule est... 60 Watts!!!.
Comment expliquer une telle différence entre le résultat du calcul et ce que l'on peut lire sur l'ampoule?. La réponse est: La résistance, ou plutôt l'impédance de l'ampoule a considérablement augmentée. Le même phénomène qui se produit dans la bobine mobile d'un haut parleur et on appel alors cela la "compression thermique".

En effet, quand nous avions mesuré la résistance de l'ampoule, celle ci n'était bien sur soumis a aucun passage de courant, ainsi, le filament de l'ampoule n'était elle même soumise a aucune élévation de température.
Nous pouvons simplement dire que la résistance qu'oppose l'ampoule au passage du courant est de 67,4 ohms à température ambiante, soit 20° Celsius.
Le problème est totalement différent quand cette ampoule voit arriver du courant. Le filament, par effet joule, commence a chauffer a cause des électrons qui passe en grand quantité a travers ce dernier. l'effet joule étant la tendance d'un corps a chauffer ou a dégager des colories au passage d'un courant. Ce dégagement de chaleur est d'autant plus important que le courant qui traverse le filament est important!!!!
Ce filament est souvent en tungstène...supportant ainsi facilement une température de près de 2000°Celius. Il est bien évident que si la résistance a froid nous fait trouver une puissance hallucinante de plus de 854 Watts alors que l'ampoule ne fait que 60 Watts réelle, c'est que la puissance indiquée est relevée quand le filament est soumis a une très forte température.
Car vous pourrez refaire 100 fois le calcul, vous trouverez 854 Watts avec 67,4 ohms sans que les méthodes de calcul ne soient a remettre en question.
Ici, ce qu'il faudrait faire c'est partir de la puissance de l'ampoule et la tension électrique a laquelle elle est soumise pour trouver la résistance de l'ampoule a chaud!...

Nous trouvons donc une résistance de 960 Ohms (il s'agirait plutôt d'une impédance de 960 ohms mais bon, comme je disais avant, ces valeurs sont très proche en vérité pour une ampoule électrique) ...Mais on est loin des 67,4 ohms mesurés. L'augmentation de la résistance du fil de l'ampoule soumise a une haute température est notoirement plus élevée. Le matériaux voit sa propre résistance augmenter au fur et a mesure que la température augmente aussi!...Car le filament de l'ampoule, au départ, a bien 67,4 ohms , mais dés que nous voulons avoir de la lumière, le courant passant, la température augmente violemment, de 20°C à près de 2000° C, la résistance passant alors de 67,4 ohms a 960 en passant par toutes les valeurs de résistances intermediaires...
Il est possible d'ailleurs de déterminer cette résistance en fonction de la température en utilisant la formule ci dessous.





A présent que nous avons mis en évidence ce phénomène, nous allons parler de ce qui nous intéresse au final. C'est à dire que nous allons voir ce qui se passe au niveau du haut parleur. En effet, la bobine du haut parleur possède une résistance de quelques ohms (à ne pas confondre avec l'impédance je le rappel, mais le principe reste le même). Cette résistance mesurée avec un ohmmètre (contrôleur universelle régler sur ohmmètre)est appelée " Re"...
Au repos, le haut parleur est soumis a une température ambiante, soit en général 20°C. Lorsque le haut parleur est utilisé et que l'amplificateur lui envoie un signal électrique, ce signal passant par la bobine du haut parleur provoque inévitablement une élévation de température. Cette élévation de température modifie la valeur de résistance du fil de la bobine mobile. Compte tenu du fait que le haut parleur possède une bobine mobile de relativement faible valeur ohmique, l'intensité (en ampère) du courant sera relativement importante et ceci avec une tension assez modeste. certain haut parleur son capable de supporter une tension de plus de 100 volts!!...En conséquence, la puissance dissipée par la bobine va être très forte. Compte tenu de la faible résistance, ou d'ailleurs de la faible impédance du fil de la bobine mobile. Mais cette température élevée va bien sur faire grimper la valeur ohmique de la bobine mobile, ce qui aura pour conséquence de limiter le courant. Donc avec une tension identique, le courant plus faible se traduira par une puissance plus faible...
Ceci indique qu'un haut parleur soumis a une puissance électrique importante pendant un bon moment, va voir une limitation de la puissance électrique que la bobine mobile va dissiper. Dans le monde audio professionnel, cette particularité est largement combattue pour améliorer la réponse impulsionnelle du haut parleur...

Comme le graphique l'indique, jusqu'a un certaine niveau, la moindre progression de la puissance électrique se traduit par une augmentation de la pression acoustique générée par le haut parleur. A partir d'un niveau "intermédiaire", le niveau de pression acoustique ne progresse plus même si on augmente encore la puissance électrique(ce qui indique le début de l'effet de compression thermique). Arrivé au dernier stade avant destruction (fusion de la colle ou fusion des soudures du fil de bobine)une augmentation de la puissance électrique se traduit par une diminution de la pression acoustique produit par le haut parleur...

le haut parleur est limité en puissance admissible par deux facteurs:
- température de la bobine mobile approchant la destruction de la colle qui solidarise le fil de cuivre avec son support
- excursion de la membrane qui atteint les limites mécanique de résistance des matériaux par un écrasement de la membrane a sa periphérie
...Cependant, les fabricants sérieux de haut parleurs produisent des bobines mobiles qui admettent des puissances électrique bien supérieur a la puissance admissible mécanique de sorte de réduire cette compression thermique aussi fortement que possible. De ce faite, les haut parleurs audio professionnels sont très souvent conçu avec des bobines de 4"(4 pouces de diamètre ou 4 Inchs. Un pouce anglais vaut 2.54 cm), sauf dans le cas de bobine pour haut parleur avec forte excursion...dans ce cas...la réduction du diamètre de la bobine est compensée par sa longueur... la surface d'échange thermique est alors identique...
Les moyens de combattre cette compression thermique sont nombreux...les ferro-fluides en sont. Il existe aussi des moyens techniques comme les trous d'aération situé a l'arrière du haut parleur...ce fut le cas par exemple des haut parleurs JBL professionnel qualifié de "VGC" (vented gap cooling). Ces haut parleur étaient pourvu de trois trous permettant d'évacuer efficacement les calories produites par la bobine mobile soumise a un fort passage de courant électrique. Ce faisant, la température destructrice était plus difficile a atteindre tout en permettant au haut parleur de fournir des niveaux de pression supérieurs!...la puissance admissible du haut parleur a vu une sensible amelioration.

Il n'est pas rare que la température de la bobine mobile s'élève a plusieurs centaines de degrés Celsius. Cette élévation de température peut engendrer plus de 5 dB de perte par rapport au résultat obtenu par calcul (ce calcul faisant intervenir la sensibilité du haut parleur et sa puissance admissible). La société turbosound par exemple, dans la brochure technique qui accompagne sont caisson d'extrême grave TSW 121, signal une compression thermique de 2 dB avec la puissance maximum admissible de l'enceinte atteinte par la puissance de l'ampli (et 1 dB avec 500 Watts)

Il me vient a ce moment l'idée de faire une comparaison avec différents haut parleur, notamment les haut parleurs destiné a l'usage domestique d'une part et bien sur, d'autre part, les haut parleurs audio professionnels... Les haut parleurs audio professionnels sont caractérisés par une sensibilité moyenne bien supérieures a celle des haut parleurs "hi fi domestiques". Leur puissance admissible est également très supérieure...
Quand on cherche a reproduire avec réalisme un niveau de pression suffisant pour restituer un instrument de musique, on arrive très rapidement aux limites de la plus part des équipements audio domestique, chose qui n'arrive pas ou rarement avec le matériel audio pro. J'en veux pour preuve l'existence de percussion tel que la batterie dans de nombreux extrait musicaux. la présence de "cuivres" n'étant pas non plus facile a restituer (trompettes, trombone a coulisse). Les niveaux de pression sont naturellement élevés...voir très élevés dans le cas de la batterie.
Arrive alors le problème du réalisme sonore et de la dynamique qui seraient sensée être correctement restituées par un équipement audio domestique.
Les enceintes ou plus précisément les haut parleurs d'hi-fi domestique souffrent d'une sensibilité faible du a l'encombrement réduit exigé par le client. Ainsi la taille réduite des enceintes mais aussi des hps provoquent une réduction significative de la sensibilité des enceintes...les haut parleurs de grave tirant les autres haut parleur de médium et d'aigu vers le "bas" si je puis dire. En effet, la pression dans le grave dépend de la valeur de l'excursion de la membrane mais aussi de sa surface. les paramètre d'excursion "Xmax" multiplié par la surface active "Sd" donnent la valeur du volume déplacé "Vd". La restitution des graves sera d'autant plus facile en niveau de pression acoustique que la valeur de "Vd" sera importante. Le problème est que pour les enceintes acoustiques hi-fi domestiques, la surface active des haut parleur de grave sont plutôt réduite, il faut donc compenser par une excursion plus importante pour obtenir un "Vd" honorable...mais une excursion importante induit une baisse significative de sensibilité du hp du fait de sa conception (une grande partie de la bobine mobile se trouve en dehors du champ magnétique qui circule dans l'entrefer).

Cette faible sensibilité induira une puissance électrique nécessaire plutôt importante pour une pression acoustique plutôt modeste...qui dit puissance électrique élevée (alors qu'on est loin d'avoir atteint les niveaux acoustiques réalistes de certains instruments), dit qu'une compression thermique va se produire plus facilement et réduire encore plus le niveau de pression qui n'était déjà pas très élevé...Un tel problème sur un haut parleur audio pro est repoussé très loin. En conclusion, le haut parleur de hi-fi est amoindrie dans ses performances par une sensibilité médiocre, une puissance admissible modeste, et une compression thermique qui arrive assez tôt et dont les répercussions sont assez forte car très souvent les bobines mobiles sont de tailles réduite sur ce type de haut parleur.
A contrario, le haut parleur audio professionnel est capable de fournir des niveaux de pression acoustique très élevé du fait d'une forte sensibilité (encore plus grâce a l'utilisation des techniques du pavillon). Du fait d'une bien meilleurs technique de refroidissement, la compression thermique n'intervient que tardivement et dans des proportions sensiblement plus modeste que le cas du haut parleur hi-fi domestique...le seul inconvénient du haut parleur audio-pro concerne la place occupé par celui ci...puisqu'il prend sensiblement plus de surface au sol comme de volume. C'est bien le seul défaut, et très franchement ça vaut le coup de se priver d'un peu de place pour avoir une restitution sonore qui ne laisse aucun doute possible sur la restitution du réalisme sonore avec des haut parleurs audio-pros par opposition a l'utilisation des haut parleurs domestique hi-fi!...