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Comprendre: Le haut-parleur piézoélectrique
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Source: Articles internet - novembre 2006 ::: crédits n/c :::
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Le haut-parleur piézoélectrique
Crédits
crédits n/c

Le fonctionnement d'un haut-parleur piézoélectrique repose sur les propriétés de déformation (contraction ou dilatation) des matériaux piézoélectriques lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique.

Ces propriétés ont été découvertes dans les années 1880 par Pierre Curie, mais n'ont été véritablement exploitées pour la confection de haut-parleurs grand public qu'à partir de la fin des années 60, sous l'impulsion notable de la firme américaine Motorola. Les matériaux les plus couramment rencontrés dans ce type de haut-parleur sont actuellement les céramiques PZT (Titano-Zirconiate de Plomb), utilisées sous forme de minces couches circulaires de 2 ou 3 cm de diamètre et de faible épaisseur (de l'ordre du dixième de millimètre). Une couche de PZT garde une polarisation permanente comparable à celle des aimants lorsqu'elle a été soumise un certain temps à un champ électrique adapté. Ainsi, cette couche polarisée s'aplatit ou s'épaissit lorsqu'on lui applique entre ses faces une tension électrique (inférieure à la tension utilisée pour sa polarisation) par l'intermédiaire de deux fines feuilles d'un matériau conducteur.

:::Illustration schématique
Illustration schématique de la déformation d'une fine couche de céramique PZT préalablement polarisée et soumise à un champ électrique.

La Figure 1 illustre schématiquement les variations d'épaisseur d'une couche de PZT en fonction de la tension électrique appliquée entre ses faces, sa direction de polarisation étant indiquée par la flèche verticale bleue. Ces variations d'épaisseur sont en réalité trop faibles pour espérer créer une onde sonore. Pour les amplifier, deux plaques de PZT séparée par une fine feuille conductrice sont habituellement superposées. En appliquant sur les deux faces externes le même potentiel, la feuille métallique centrale étant la borne opposée, les plaques de céramique se déforment de façon contraire : l'une augmente sa surface et l'autre la rétrécit, comme le montre schématiquement la Figure 2. Un haut-parleur piézoélectrique se construit alors en adjoignant aux couches de PZT une petite membrane conique pour le couplage acoustique, et un petit pavillon pour amplifier le niveau sonore dans une direction privilégiée (cf. Figure 3).

:::Illustration schématique
Illustration schématique de la déformation d'une double couche de céramique P.Z.T. préalablement polarisée et soumise à un champ électrique.

Ce type de haut-parleur, souvent désigné sous le terme anglophone tweeter, est particulièrement adapté à la reproduction des hautes fréquences en raison de la petite taille et de la faible souplesse de l'élément transducteur. Par ailleurs ce dispositif, contrairement au haut-parleur électrodynamique à membrane conique construit avec une bobine, se comporte électriquement comme un condensateur. Par conséquent, son impédance qui dépend en réalité de la composition exacte de la céramique est en général très forte en basse fréquence et beaucoup plus faible dans un domaine haute fréquence. Cette importante impédance en basse fréquence s'avère être une protection efficace qui peut dispenser de placer en amont un filtre passe-haut. Pour éviter d'endommager l'amplificateur, qui n'apprécie pas les charges capacitives, une résistance de 10 à 50 ohms, d'une puissance de quelques watts, est habituellement placée en série avec le tweeter .

:::haut-parleurs piézoélectrique
Un paramètre important donné par les constructeurs de haut-parleurs piézoélectrique est la tension sinusoïdale maximale (efficace ou RMS) que peut supporter le haut-parleur. La valeur de 25 Veff, correspondant à une puissance admissible d'environ 75 W sous 8 ohms ou 150 W sous 4 ohms est fréquente mais on trouve également des modèles 30V (115W/4ohms ou 230W/8ohms). Pour élever cette puissance admissible relativement faible (en fait la tension) sans modifier le rendement, il est possible de monter des tweeters en série. Chacun d'entre eux doit alors posséder sa propre résistance de protection. Bien qu'en général les tweeters piezoélectriques soient livrés accouplés à leur pavillon en un bloc, il existe également des moteurs à compression seuls et des pavillons indépendants (en 3,5 cm).
Figure 3 - Haut-parleur piézoélectrique Motorola KSN 1005B.

:::Moteur piézo
un moteur piézo (MPT-142 Monacor) avec un pavillon adapté (MPT-196) d'ouverture 30°x100°
De façon générale, le rendement énergétique du haut-parleur piézoélectrique est bien supérieur à celui d'un haut-parleur électrodynamique pour lequel la puissance fournie est largement dissipée en chaleur au niveau de la bobine. Lorsque ces deux types de haut-parleur sont associés, il peut s'avérer nécessaire de placer un condensateur en série avec le tweeter pour réduire son rendement. Par ailleurs, le coût de réalisation d'un haut-parleur piézoélectrique, qui ne nécessite ni aimant ni bobine, ni saladier , est très inférieur à celui d'un haut-parleur électrodynamique. C'est pourquoi ce type de haut-parleur est largement utilisé dans la confection des enceintes acoustiques d'entrée de gamme, même si sa qualité (pour les modèles classiques) reste en général inférieure à celle d'un haut-parleur électrodynamique.
Moteur piézo MPT-142 Monacor
Pavillon MPT-196  Monacor



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 Les enceintes acoustiques
 Le haut-parleur à membrane conique
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