Bobines d'arrêt pour haut-parleurs
Si l'on veut éloigner les sons aigus ou les fréquences des haut-parleurs de moyennes et de basses fréquences, car ils ne doivent plus les transmettre, on place une bobine sur leur trajet de signal. De telles bobines d'arrêt sont constituées d'un fil de cuivre étroitement enroulé et recouvert d'un vernis isolant et réduisent le courant alternatif transmis en fonction de sa fréquence. La résistance qui augmente aux fréquences élevées est due au champ magnétique que chaque conducteur électrique crée autour de lui lorsqu'il est traversé par un courant. Lorsque le flux de courant change, le champ magnétique induit une tension opposée dans le conducteur, comme par exemple le fil de la bobine. Si un courant alternatif le traverse, son flux varie au rythme de la fréquence, et plus la fréquence augmente, plus la tension inverse induite et donc la résistance du conducteur ou du fil de la bobine augmentent.
Dans le cas des bobines, cette propriété, appelée inductance, augmente avec le nombre de spires. L'unité de mesure de l'inductance, qui porte le nom d'un physicien américain, s'appelle Henry (H), mais pour les haut-parleurs, on n'a besoin que de millièmes de cette valeur et on parle donc de milli Henry (mH). Pour limiter la plage d'utilisation des haut-parleurs de médiums ou de graves vers des fréquences plus élevées, on calcule l'inductance nécessaire à l'aide de l'équation suivante :
mH
Le L représente l'inductance de la bobine recherchée, le Z l'impédance du haut-parleur en ohms, le Pi le nombre circulaire 3,14 et le fc la fréquence de coupure visée en hertz, à laquelle l'atténuation du niveau est déjà de 3 dB.
Exemple : un haut-parleur de grave avec une impédance ou une résistance nominale de 8 ohms, qui ne doit être utilisé que jusqu'à 300 Hz, nécessite donc une bobine d'environ 4,3 milli Henry.
Effet typique d'une bobine d'inductance sur le niveau (en décibels) et la résistance du courant alternatif (en ohms) en fonction de la fréquence du courant alternatif (en hertz).
Leur inductance n'est toutefois qu'un des effets des bobines d'arrêt et, pour trouver la bobine optimale pour un usage donné, il est utile de connaître également les caractéristiques qui peuvent avoir une influence sur la capacité de charge, le son et le prix des bobines.
Impédance de la bobine
L'impédance totale d'une bobine se compose principalement de la résistance au courant continu et de la résistance au courant alternatif, cette dernière augmentant avec la fréquence et l'inductance de la bobine. La résistance au courant alternatif ou
d 'une bobine n'est toutefois pas une valeur fixe et facile à calculer en raison des déphasages entre le courant et la tension. Elle est plutôt déterminée par toutes les résistances de la chaîne de mesure, c'est-à-dire par les bobines mobiles des châssis de haut-parleurs, par les résistances fixes du filtre et par les résistances de perte des câbles reliant l'amplificateur aux haut-parleurs.
Résistance au courant continu
La résistance ohmique et non inductive du long fil de cuivre d'une bobine d'arrêt réduit le courant acheminé vers le haut-parleur indépendamment de la fréquence et entraîne une perte de puissance. Si la résistance au courant continu s'élève à 20 % de l'impédance du haut-parleur, un tiers de la puissance d'amplification fournie est littéralement brûlée dans le fil de la bobine. Sur 100 watts, il ne reste plus que 65 watts environ, ce qui est clairement audible. Pour rester inaudible, la résistance au courant continu d'une bobine ne devrait pas dépasser 10 % de l'impédance du haut-parleur, soit 0,8 ohm pour des haut-parleurs de 8 ohms. Mais à cela s'ajoutent les pertes du câble de plusieurs mètres entre l'amplificateur et les haut-parleurs, ainsi que les résistances de contact, généralement ignorées, au niveau des bornes de sortie de l'amplificateur, des extrémités ou des fiches oxydées du câble et des bornes de raccordement des haut-parleurs.
Celui qui attache vraiment de l'importance à la dissipation
starmut devrait nettoyer de temps en temps les connexions et les contacts des câbles et n'accorder aux bobines de réactance en amont des haut-parleurs de graves qu'une résistance au courant continu de peut-être 0,4 ohm. Mais comment réaliser cela ?
Un fil plus épais réduit la résistance au courant continu d'une bobine. Le diagramme (2) illustre cette relation à l'aide d'épaisseurs comprises entre 1,6 et 0,8 mm, en prenant l'exemple d'une bobine de self avec une inductance de 1,0 mH. La courbe inférieure indique déjà que les bobines dites à noyau présentent des résistances de perte beaucoup plus faibles.
Les grandes inductances nécessitent plus de spires de bobine et un fil plus long que les petites, car pour doubler l'inductance, il faut augmenter le nombre de spires de la racine carrée de 2, c'est-à-dire le multiplier par 1,41, pour le même type de bobine. Les bobines à air habituelles avec un fil de cuivre de 2 mm d'épaisseur sont inférieures aux 0,4 ohms visés ici jusqu'à 4 mH d'inductance seulement et sont malgré tout assez grandes, lourdes et chères.
En revanche, les bobines à noyau se contentent d'une longueur de fil plus faible et présentent donc moins de pertes que les bobines à air, comme le montre le diagramme (3).
Les particularités des bobines nucléaires
Le matériau magnétisable à l'intérieur ou autour de la bobine multiplie son inductance, c'est pourquoi le fil peut être plus court que celui d'une bobine à air pour obtenir la même inductance. En principe, on distingue trois types de noyaux :
Les noyaux en ferrite (ferrobar) en céramique magnétisable mais non conductrice d'électricité,
Noyaux en poudre de poussière de fer, que des liants maintiennent durablement en forme,
noyaux corobaren mélange de poudre cristalline
les noyaux de transformateur constitués de bandes de tôle empilées, principalement en fer. Sur le plan magnétique, les noyaux de transformateur sont beaucoup plus efficaces que ceux en ferrite, mais aussi plus lourds et 
plus coûteux.
L'une des faiblesses des bobines nucléaires réside dans leur rémanence, une sorte d'effet de mémoire des matériaux magnétisables : si la bobine de fil de cuivre parcourue par le courant a magnétisé le noyau de la bobine, celui-ci conserve encore partiellement son aimantation même après la disparition de l'excitation.
Cela provoque des distorsions non linéaires, surtout sous la forme de K3, ce qui signifie que les bobines 
ajoutent un pourcentage de trois fois la fréquence des signaux de courant alternatif qui les traversent. Certes, les haut-parleurs produisent également du K3, surtout dans les basses fréquences, qui peut dépasser 5 % à des niveaux élevés et à des fréquences très basses, mais qui dépasse rarement 1 % dans les basses fréquences supérieures. Dans la mesure du possible, les bobines d'arrêt ne devraient pas ajouter de distorsions supplémentaires. Pour des puissances d'amplification 
inférieures à 50 watts, les bobines à noyau de ferrite typiques se contentent d'à peine plus de 0,1 % de distorsion harmonique de base, les bobines à noyau de transformateur se contentent généralement d'environ 0,3 % et les bobines à noyau de poudre se situent quelque part entre les deux. De telles valeurs ne sont pas inquiétantes. Seules les bobines de transformateur à faible perte (zéro ohm) avec des noyaux dits EI produisent un K3 inacceptable pouvant aller jusqu'à 1%, même à des puissances très faibles. Un pour cent de K3 peut déjà être audible et représente la limite de l'acceptable - les distorsions de la bobine ne devraient jamais augmenter plus haut, mais elles le font lorsque des courants trop forts circulent. La capacité limitée des bobines à supporter sans broncher des courants de n'importe quelle intensité est liée au phénomène de saturation.
Saturation du noyau
Au fur et à mesure que le courant passe, le champ magnétique généré autour des bobines s'intensifie. Or, les matériaux nucléaires n'admettent qu'une intensité de champ magnétique maximale jusqu'à ce qu'ils soient saturés et ne puissent plus suivre. Les alliages de fer supportent des intensités de champ cinq à dix fois plus élevées que les ferrites. Au-delà de la limite de saturation, les distorsions de nombreuses bobines nucléaires atteignent des sommets.
Saturation et impédance
Les haut-parleurs d'une impédance de 4 ohms soutirent à l'amplificateur des courants deux fois plus élevés que les haut-parleurs de 8 ohms pour la même position du bouton de volume. Or, les bobines d'arrêt devant les haut-parleurs de graves de 4 ohms atteignent la saturation dès la moitié de la puissance. Cela vaut bien sûr aussi pour deux basses connectées en parallèle avec 8 ohms chacune. Selon la conception du filtre, l'impédance peut même descendre bien en dessous de 8 ohms avec un seul woofer de 8 ohms dans les graves et nécessiter une bobine plus puissante. D'autre part, avec la moitié de l'impédance du haut-parleur, on n'a besoin que de la moitié de l'inductance pour provoquer la même atténuation des fréquences plus élevées, soit par exemple 2,2 à 2,7 mH au lieu de 4,7 mH. La limite de saturation des bobines en tant que puissance d'amplification maximale autorisée en watts pour 1% de K3 reste finalement la même si l'on divise conjointement par deux l'impédance et l'inductance ou si on les double. Rappel : 1% K3 signifie que l'on ajoute au signal original un pour cent de trois fois la fréquence, ce qui peut être tout à fait audible.
Saturation et fréquence
Résonances mécaniques de la bobine
Le fil de la bobine enroulé, mais aussi les noyaux en ferrite ou en fer, peuvent se mettre à vibrer mécaniquement et provoquer des résonances de la bobine à des fréquences généralement moyennes à élevées. Le collage, l'enrobage ou l'imprégnation dans de la résine synthétique peuvent réduire considérablement les vibrations indésirables des bobinages.
Microphonie
Les ondes de pression générées par le haut-parleur dans l'enceinte font également vibrer le filtre et ses composants, ce qui fait craindre des influences sur le traitement du signal et le son. Un sous-boîtier pour le filtre, c'est-à-dire un petit boîtier séparé dans l'enceinte proprement dite, ainsi que le collage, l'assemblage et le vissage des composants et du circuit imprimé permettent de lutter contre ce phénomène.
Courants de Foucault
Dans les matériaux électriquement conducteurs, comme le fer, les champs magnétiques génèrent des courants électriques, appelés courants de Foucault. Ces courants influencent malheureusement les propriétés magnétiques du matériau. Dans le cas des bobines, cela entraînerait des pertes et des distorsions. Pour y remédier, on empile de fines bandes de tôle isolées électriquement les unes des autres dans les bobines de noyaux de transformateur. Dans le cas des noyaux en poudre (Corobar, Ferrobar), le liant isole électriquement les particules de fer les unes des autres et réduit la formation de courants de Foucault. Les noyaux de ferrite (Ferrobar), en revanche, ne sont pas conducteurs d'électricité et ne produisent pas de distorsions dues aux courants de Foucault.
Quelle est leur résistance ?
Pour savoir quelle puissance on peut faire supporter aux différentes bobines nucléaires, on peut mesurer leur limite de saturation pour 1% de K3. Pour cela, nous avons utilisé diverses variantes avec 4,7 mH, une inductance typique pour les haut-parleurs de basses dans des enceintes à trois voies avec une impédance de 8 ohms. Le diagramme 8 illustre le résultat.
L'échelle de gauche indique la pression sonore attendue d'une enceinte hi-fi en décibels à une distance d'un mètre - à la distance d'écoute habituelle de trois à quatre mètres, la pression sonore dans une pièce d'habitation est évidemment beaucoup plus faible.
L'échelle de droite indique la puissance de saturation calculée en watts à 8 ohms ainsi que le type de bobine.
Les bobines dont la désignation commence par HQ, DR ou P ont des noyaux de ferrobarres de différents types, CO signifie une bobine à noyau de poudre Corrobar, TO un torobar avec un noyau annulaire et les autres bobines les plus puissantes utilisent des noyaux en tôle de transformateur.
Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, le tableau 1 indique la tension, l'intensité du courant et la puissance de l'amplificateur à 8 ohms que les bobines de noyau du diagramme 8 traitaient avec juste assez de distorsion lors d'impulsions bruyantes.
Tableau 1 Limites de saturation des bobines nucléaires de 4,7 mH
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Type de bobine |
Rdc bobine |
Z à 100 Hz (1) |
Tension pour 1% K3 (1) |
Courant pour 1% K3 (2) |
Pmax à 8 Ω (2) |
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Bobines à noyau de ferrite |
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HQS 32/26 |
2,31 Ω |
10,83 Ω |
21,5 V |
2,0 A |
32 watts |
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HQG 52/36 |
0,40 Ω |
8,99 Ω |
29,1 V |
3,3 A |
87 Watt |
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HQ 43/45 |
0,47 Ω |
9,02 Ω |
33,6 V |
3,7 A |
110 watts |
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HQ 58/46 |
0,19 Ω |
8,81 Ω |
37,5 V |
4,3 A |
148 watts |
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DR 56/35 |
0,33 Ω |
8,86 Ω |
43,0 V |
4,9 A |
192 watts |
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HQP 56/35 |
0,47 Ω |
9,02 Ω |
50,6 V |
5,6 A |
251 watts |
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HQP 62/47 |
0,32 Ω |
9,08 Ω |
50,5 V |
5,6 A |
251 watts |
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DR 56/61 |
0,21 Ω |
8,97 Ω |
52,5 V |
5,9 A |
278 watts |
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Bobines à noyau de poudre Corrobar |
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COT 92/39 |
0,55 Ω |
9,31 Ω |
139,4 V |
15,0 A |
1.800 watts |
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COT 92/39 |
0,52 Ω |
9,10 Ω |
139,4 V |
15,3 A |
1.877 watts |
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Bobine toroïdale Torrobar |
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T 010 |
0,20 Ω |
8,72 Ω |
94,4 V |
10,8 A |
933 watts |
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Bobines de tôle de transformateur |
|||||
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I 78 |
0,76 Ω |
9,52 Ω |
74,4 V |
7,8 A |
487 watts |
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I 96 |
0,58 Ω |
9,08 Ω |
96,4 V |
10,6 A |
899 watts |
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I 130 |
0,26 Ω |
9,02 Ω |
125,8 V |
13,9 A |
1 546 watts |
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I 150 |
0,20 Ω |
8,96 Ω |
>141,4 V |
>15,8 A |
>2 000 watts |
|
FE 96 |
0,18 Ω |
8,82 Ω |
141,4 V |
16,0 A |
>2 000 watts |
|
FE 130 |
0,08 Ω |
8,81 Ω |
>141,4 V |
>16,0 A |
>2.000 watts |
(1) valeurs mesurées, y compris 8 Ω résistance de charge
(2) valeurs calculées à partir des données mesurées
Même les bobines à noyau de ferrite bon marché avec jusqu'à 4,7 mH semblent supporter une puissance abondante, mais il faut tenir compte du fait que ce n'est pas la puissance continue, mais la puissance impulsionnelle de l'amplificateur raccordé qui doit être prise en compte. Pendant une courte période, les amplificateurs peuvent fournir environ le double de leur puissance continue ou nominale. Les haut-parleurs de basses digèrent parfaitement de tels pics de puissance et les bobines d'arrêt appropriées devraient également en être capables.
Méthode de travail :
Pour déterminer les limites de saturation, chaque bobine a été connectée en série à une résistance de 8 ohms, puis reliée à la sortie de l'amplificateur. L'entrée de l'amplificateur a reçu un signal sinusoïdal de 100 Hz et la tension de sortie a été augmentée jusqu'à ce que le K3 soit exactement de 1,0 %. Ensuite, l'impédance complexe de la bobine et de la résistance fixe a été mesurée à 100 Hz. A partir de la tension et de l'impédance mesurées, il fallait calculer le courant de saturation et la puissance d'amplification correspondante à 8 ohms. Pour des haut-parleurs de 4 ohms, cette puissance doit toutefois être divisée par deux.
Le tableau 2 ci-dessous permet d'appliquer approximativement la limite de puissance des bobines de 4,7 mH présentées dans le diagramme 8 à d'autres inductances de même type.
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| Tableau 2 : Saturation et inductance du HQP 56/35 | |
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| 1,0 mH | 4,70 x Pmax1 | 1.175 watts |
| 1,5 mH | 3,13 x Pmax1 | 782 watts |
| 2,2 mH | 2,14 x Pmax1 | 535 watts |
| 2,7 mH | 1,74 x Pmax1 | 435 watts |
| 3,3 mH | 1,42 x Pmax1 | 355 watts |
| 3,9 mH | 1,21 x Pmax1 | 302 watts |
| 4,7 mH | ---- x Pmax1 |
250 watts |
| 5,6 mH | 0,84 x Pmax1 | 210 watts |
| 6,8 mH | 0,69 x Pmax1 | 172 watts |
| 8,2 mH | 0,57 x Pmax1 | 142 watts |
| 10,0 mH | 0,47 x Pmax1 | 117 watts |
| 15,0 mH | 0,31 x Pmax1 | 77 watts |
| 22,0 mH | 0,21 x Pmax1 | 52 watts |
| 27,0 mH | 0,17 x Pmax1 | 42 watts |
| 33,0 mH | 0,14 x Pmax1 | 35 watts |
Exemple :
Pour le type de bobine HQP 56/35 avec 4,7 mH, une puissance maximale de 250 watts a été déterminée à 8 ohms pour 1% de K3. Avec seulement 2,7 mH, il serait donc possible d'obtenir 435 watts, mais avec 8,2 mH, seulement 142 watts. Les bobines avec une inductance nettement plus petite que celle mesurée (ici 4,7 mH) supportent souvent un peu plus de puissance que calculée, tandis que les bobines à noyau de ferrite avec des inductances plus grandes (par exemple 10 mH) arrivent généralement à saturation avec une puissance plus faible que prévu.
Digression : inductance versus saturation
Si le courant de saturation d'une inductance est mesuré, l'intensité maximale (Is2) pour 1% K3 d'autres inductances du même type de bobine peut être déterminée approximativement comme suit :
Is2 = -
Is1 ; Ampère
Pour L1, il faut inscrire l'inductance de la bobine mesurée et pour Is1 son courant de saturation déterminé, tandis que L2 représente une inductance quelconque du même type de bobine.
Si l'on divise par deux l'inductance d'une bobine, son courant de saturation augmente donc de la racine de 2 pour atteindre 1,41 fois la valeur initiale. La pratique montre toutefois qu'il peut y avoir plus de 10 % de différence entre les mesures et les calculs. Les bobines à noyau de ferrite supportent généralement moins de courant que calculé lorsque l'inductance augmente, tandis que celles à noyau de poudre ou à noyau de tôle de transformateur supportent souvent des courants un peu plus élevés que ceux calculés jusqu'à ce qu'elles atteignent la saturation.
La limite de puissance d'une inductance plus petite ou plus grande peut être calculée approximativement comme suit :
Pmax2 = 
- Pmax1 ; Watt
Pour L1, il faut utiliser l'inductance de la bobine mesurée et Pmax1 sa limite de puissance calculée, tandis que L2 représente une inductance quelconque du même type de bobine. Par conséquent, la puissance pour une distorsion harmonique de 1% est divisée par deux lorsque l'inductance est doublée.
Outre les inductances de 4,7 mH listées dans le diagramme 8, des inductances plus grandes et plus petites ainsi que de nombreuses bobines d'autres fabricants ont été testées. Dans certains cas, les résultats étaient étonnants : malgré des propriétés optiques et haptiques similaires, certaines ne supportaient qu'un cinquième de la puissance des bobines mentionnées ici. La raison principale réside probablement dans les matériaux du noyau, car en ce qui concerne leurs propriétés magnétiques, il peut y avoir un monde entre les différentes ferrites, poudres de fer et tôles de transformateur, ce qui n'est pas visible à l'œil nu. Même les bobines de fabricants allemands renommés présentaient des faiblesses, par exemple parce que leur fil de cuivre était simplement enroulé sur des noyaux en forme de tige sans support plastique stabilisateur, de sorte qu'il peut se desserrer avec le temps en raison des vibrations dans l'enceinte acoustique. Et les noyaux ferreux n'étaient pas toujours recouverts de vernis pour prévenir la formation de rouille.
Recommandations pour les bobines
Les pertes audibles peuvent être évitées en enlevant régulièrement les couches d'oxyde et de saleté de tous les points de contact entre l'amplificateur et les différents châssis de haut-parleurs et en choisissant des bobines d'arrêt pour les woofers dont la résistance en courant continu ne dépasse pas 5 % de l'impédance du haut-parleur. Les filtres passe-bas pour les haut-parleurs de basses dans les enceintes à trois voies profitent des bobines à noyau, car elles sont plus petites et moins chères que les bobines à air à faibles pertes. Mais cela n'est valable que si les bobines ne sont pas complètement surdimensionnées. Si, d'autre part, on les sous-dimensionne, il en résulte des distorsions audibles lors d'impulsions puissantes. Le tableau 3 montre quel type de bobine d'Intertechnik convient le mieux aux woofers de 8 ohms, en fonction de l'inductance et de la capacité de charge, en termes de dimensions et de prix. Mais pour des haut-parleurs d'une impédance de 4 ohms, la puissance indiquée doit, cette fois encore, être divisée par deux.
Tableau 3: Bobines optimales avec un Rdc de max. 0,40 Ω
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Inductance |
Puissance d'impulsion min.200 watts à 8 ohms |
Capacité de charge d'impulsion au moins. 500 watts à 8 ohms |
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1,5 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/150/095 |
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2,2 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/220/085 |
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2,7 mH |
HQ 40/30/095 |
I 78/270/085 |
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3,3 mH |
HQP 56/3.3/118 |
I 130/3.3/132 |
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3,9 mH |
P 62/390/140 |
I 130/3.9/132 |
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4,7 mH |
P 62/470/140 |
I 130/4.7/132 |
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5,6 mH |
DR 56/5.6/118 |
I 130/5.6/132 |
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6,8 mH |
TO 10/6,8 |
I 150-6,8-160 |
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8,2 mH |
TO 10/8.2 |
I 150-8,2-160 |
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10,0 mH |
TO 10/10 |
I 150-10-160 |
Bobines pour d'autres applications de haut-parleurs
Une grande inductance n'est pas toujours branchée en série avec le haut-parleur de graves, mais parfois aussi en parallèle avec lui, afin de lisser l'évolution de l'impédance dans les graves. Pour cela, il faut généralement des inductances de plus de 10 mH, dont la limite de saturation doit être aussi élevée que celle des bobines montées en série avec le woofer.
Mais une faible résistance au courant continu n'est guère nécessaire pour cela, c'est pourquoi il est recommandé d'utiliser les types de bobines CO44 et CO55, très résistantes, d'une impédance un peu plus élevée et surtout moins chères, pour linéariser l'impédance des haut-parleurs de graves.
Les filtres passe-haut pour les haut-parleurs de médium nécessitent souvent de grandes inductances parallèles au châssis du haut-parleur. Mais des condensateurs placés en amont réduisent l'énergie de basse fournie, de sorte que ces bobines de médiums ne doivent supporter que la moitié de l'énergie nécessaire pour les haut-parleurs de graves. De plus, leur résistance au courant continu peut facilement dépasser 5 % de l'impédance du haut-parleur, ce qui facilite grandement le choix de la bobine. Il en va de même pour les filtres de fréquences pour les tweeters, dans lesquels les inductances montées en parallèle avec le haut-parleur ne doivent traiter que de faibles courants, pour lesquels de petites bobines à air suffisent en général. Mais plus la résistance au courant continu est élevée, plus la forme de la bobine doit être grande afin de réduire le risque d'accumulation de chaleur et de fusion du vernis isolant sur le fil de cuivre. En effet, contrairement à la résistance inductive (courant alternatif), la résistance ohmique (courant continu) consomme une partie de la puissance d'amplification qui la traverse.
Les bobines à air pratiquement sans distorsion conviennent aussi parfaitement à l'atténuation des hautes fréquences dans les haut-parleurs de médium. Pour les haut-parleurs de grave-médium dans les systèmes à deux voies, le fil des bobines à air servant de filtre passe-bas devrait toutefois être si possible suffisamment épais et à faibles pertes pour que leur résistance au courant continu ne dépasse pas 5 % de l'impédance du haut-parleur. En effet, d'une part, les haut-parleurs de grave sont généralement 6 dB plus silencieux dans les graves que dans les médiums lorsqu'ils sont placés dans un boîtier normal au lieu d'être posés sur un énorme mur, comme le préfèrent les fabricants pour les réponses en fréquence des brochures. Et d'autre part, une résistance ohmique en série de 10% de l'impédance du haut-parleur réduit déjà la puissance d'amplification disponible d'un cinquième, et une de 20% même d'un tiers.
Berndt Stark
