Transducteurs : comment fonctionnent les haut-parleurs de vos casques et écouteurs

Cinq technologies à découvrir

 

À quoi ressemblent et comment fonctionnent les transducteurs qui équipent nos casques et écouteurs ? Quelles sont les meilleures technologies disponibles pour produire le son ? Tour d'horizon.

Le Sony WH-1000XM4 pour illustration

Le Sony WH-1000XM4 pour illustration // Source : Frandroid

Les transducteurs sont au cœur de tous les casques et écouteurs. Leur utilité est de convertir un signal électrique en onde sonore. Couramment appelé haut-parleur, il est composé d’une membrane qui vibre au gré du courant reçu par l’amplificateur et produit ainsi le son que nous entendons.

Il existe plusieurs types de transducteurs, dont la conception, la taille et la mise en œuvre dans les écouteurs et les casques impactent les performances sonores. C’est ce fonctionnement et ces différences que l’on vous propose de découvrir dans ce dossier.

Le transducteur dynamique

Les transducteurs dynamiques sont le type de transducteur le plus répandu, car le moins onéreux et le plus pratique à mettre en œuvre. Inventé au XIXe siècle, il équipe la plupart des écouteurs et casques, ainsi que les enceintes acoustiques — où il est plus volontiers nommé haut-parleur. Il est composé d’une membrane suspendue à un anneau, au dos de laquelle est collée une bobine de cuivre cernée par un aimant. Lorsque la bobine est traversée par le signal électrique de l’amplificateur, celle-ci entraîne la membrane dans un mouvement de piston, à raison de milliers de micro-excursions chaque seconde.

Schéma éclaté d’un transducteur dynamique Audio-Technica

Schéma éclaté d’un transducteur dynamique Audio-Technica // Source : Audio Technica

L’air ainsi déplacé par la membrane n’est autre que l’onde sonore qui parvient à nos oreilles.

Le rôle de l’aimant

La maîtrise du mouvement de la membrane est liée à la force du champ magnétique de l’aimant, qui doit être capable de ramener aussi vite que possible le couple bobine/membrane à sa position initiale pour éteindre convenablement la note produite et préparer la suivante. Le contrôle de ce mouvement est compliqué par l’augmentation du volume sonore, notamment des basses fréquences, car la bobine effectue des excursions plus longues. Pour cette raison, les aimants au néodyme — capables de produire un champ magnétique très puissant — sont de plus en plus utilisés, au détriment des traditionnelles ferrites.

L’importance de la taille du transducteur

Le choix de la taille du transducteur d’un casque ou d’écouteurs est fonction des performances sonores que le fabricant cherche à obtenir, voire du design qu’il souhaite donner à son produit. De petits transducteurs pour écouteurs (< 8 mm de diamètre) autorisent la conception d’écouteurs très discrets, mais ceux-ci ont des difficultés à reproduire les basses fréquences.

Transducteur Focal Elear

Au contraire, de grands transducteurs pour écouteurs (> 10 mm) peuvent descendre plus bas en fréquence, avec plus de volume et de rigueur. Ils sont d’ailleurs couramment utilisés dans les écouteurs à réduction de bruit active, car leur membrane est mieux adaptée pour réduire les bruits graves environnants.

Pourquoi les transducteurs des casques sont plus grands

Si les transducteurs embarqués dans les casques audio sont bien plus grands que ceux des écouteurs, avec de 30 à 80 mm de diamètre en général, c’est que la distance avec le tympan est plus importante et qu’il faut compenser l’atténuation exponentielle de l’intensité sonore.

Transducteur Peerless

Un transducteur dynamique de 50 mm Peerless, pour casques audio. La membrane en mylar est striée pour réduire les ondes stationnaires. En transparence, la bobine de cuivre // Source : Peerless

Ainsi, un casque doit produire un volume bien plus élevé, ce qui n’est possible qu’avec des transducteurs de grande taille, souvent comprise entre 30 et 60 mm de diamètre.

Des membranes en plastique ou métal

La membrane d’un transducteur dynamique est le plus souvent fabriquée en matière plastique (mylar, polyester) ou en métal (aluminium, titane, béryllium). Moyennement rigide et naturellement bien amortie, la membrane en plastique résonne peu et délivre un son doux, facile à écouter, auquel on reproche souvent un manque de rigueur dans les hautes fréquences. Au contraire, les membranes métalliques sont rigoureuses dans la restitution du haut du spectre audio, mais souffrent de résonances qui durcissent la restitution, notamment à fort volume. Pour compenser les défauts de chaque matériau, une couche supplémentaire est souvent appliquée. Lorsque le transducteur est de grande taille, la membrane est parfois composée de plusieurs éléments, notamment un cône central qui focalise les fréquences médiums et aiguës.

L’importance de la charge acoustique

La charge acoustique fait référence à l’impact de l’air emprisonné entre le dos du transducteur et la coque. Comme pour une enceinte, la charge acoustique est un paramètre important. Plus la quantité d’air est importante, mieux le transducteur se déplace et reproduit les basses fréquences. Mais attention, point trop n’en faut : une quantité d’air disproportionnée provoque des mouvements de membrane excessifs et une distorsion accrue. Il faut donc une réelle expertise pour « charger » un transducteur.

Parfois, cette charge est « accordée ». En pratique, un petit tube résonateur est installé dans la coque pour amplifier mécaniquement une plage déterminée de fréquences graves, tout en réduisant l’excursion de la membrane. Pour la petite histoire, ce principe du résonateur, dit de Helmholtz, a été appliqué pour la première fois en hi-fi par la société française Elipson.

Avantages et inconvénients des transducteurs dynamiques

Les avantages des transducteurs dynamiques :

  • Peu onéreux
  • Performances dans les basses fréquences

Les inconvénients des transducteurs dynamiques :

  • Moindre rapidité dans le haut du spectre audio que les technologies concurrentes

Le transducteur à armature équilibrée

Le principe de fonctionnement des transducteurs à armature équilibrée (balanced armature) diffère quelque peu des modèles dynamiques. On retrouve le trio aimant, bobine et membrane émissive, mais complété par un mécanisme à tige, appelé l’armature. C’est cette tige — et non la bobine– qui est attachée par son extrémité à la membrane qu’elle fait vibrer. Concrètement, la tige d’armature placée au centre de la bobine de cuivre est équilibrée par le champ magnétique d’une paire d’aimants. Lorsque l’ampli envoie un signal électrique, l’armature oscille et, avec elle, la membrane qui produit ainsi le son. Bien plus légère que celle d’un transducteur dynamique, cette membrane offre une meilleure restitution des aigus. Par ailleurs, le transducteur à armature équilibrée offre un rendement supérieur et n’exige donc que peu de courant pour jouer fort.

Knowles armature balancee

Au sommet de ce transducteur à armature équilibrée, la membrane (violette) émet du son en fonction des vibrations de la tige d’armature // Source : Knowles

Certains écouteurs haut de gamme intègrent parfois plusieurs transducteurs à armature équilibrée, travaillant chacun sur des plages de fréquences différentes, afin d’améliorer leur efficacité et offrir plus de transparence à l’écoute. De plus, comme les transducteurs à armature équilibrée sont moins performants pour reproduire les basses fréquences, certains fabricants les associent à un transducteur dynamique, calibré pour ne produire que du grave. C’est le cas de Bowers & Wilkins sur ses écouteurs PI7.

B&W PI7

Les écouteurs B&W PI7 sont équipés d’un transducteur dynamique (cerclé de cuivre) et d’un second à armature équilibrée pour les hautes fréquences // Source : B&W

Notez qu’on ne trouve pas de transducteurs à armature équilibrée dans les casques audio, car ils sont trop peu puissants pour être installés aussi loin de l’oreille.

Avantages et inconvénients des transducteurs à armature équilibrée

Avantages des transducteurs à armature équilibrée :

  • Restitution très précise des hautes fréquences
  • Compacité qui permet l’emploi de plusieurs transducteurs dans un même écouteur

Inconvénients des transducteurs à armature équilibrée :

  • Peu d’impact dans le registre grave

Le transducteur Planar Magnetic

Plus rares et presque exclusivement réservés aux casques audio, en raison de leur grand diamètre, les transducteurs Planar Magnetic sont composés de grandes et fines membranes émissives — on parle de diaphragmes — parcourues de conducteurs électriques très fins. Lorsque les signaux électriques traversent ces fils conducteurs, ceux-ci interagissent avec un système d’aimants et font vibrer la membrane émissive. Cette technique présente l’intérêt d’un exceptionnel régime transitoire, des plus basses fréquences aux plus hautes.

écouteur Planar Magnetic Audeze

La technologie Planar Magnetic implique une membrane plate et fine traversée de conducteurs électriques, qui réagit au champ magnétique d’aimants et entre en vibration // Source : Audeze

Les casques Planar Magnetic sont destinés aux applications hi-fi et très prisés des mélomanes les plus exigeants.

Avantages et inconvénients des transducteurs Planar Magnetic

Les avantages des transducteurs Planar Magnetic :

  • Excellent régime transitoire
  • Vaste scène sonore
  • Nombreux microdétails

Les inconvénients des transducteurs Planar Magnetic :

  • Manque d’impact dans le grave
  • Technologie relativement onéreuse

Le transducteur électrostatique

Graal acoustique de la hi-fi en solitaire, le transducteur électrostatique a été inventé en 1960 par la société japonaise Stax. L’idée est alors de débarrasser la membrane émissive du transducteur de sa bobine de cuivre, afin de la rendre la plus légère possible et éradiquer la distorsion. Pour y parvenir, Stax conçoit une membrane d’une finesse exceptionnelle (quelques microns), qui est en permanence chargée par un courant statique. Pour que cette membrane se déplace, elle est prise en sandwich par deux plaques métalliques traversées par les signaux électriques. Dans cette configuration, la membrane se déplace avec une rigueur inégalée et produit un son idéal, exempt de distorsion.

HiFiMAN Shangri La

Le casque électrostatique HiFiMAN Shangri La et son amplificateur dédié à triodes 300B // Source : HiFiMAN

Pour fonctionner, un casque électrostatique requiert un amplificateur spécifique, qui génère des tensions excessivement élevées (centaines de Volts). Contrepartie : il est impossible d’envisager une utilisation nomade d’un tel casque, l’ampli étant si énergivore qu’il ne peut fonctionner sur batterie. Stax, HiFiMan ou encore Sennheiser, commercialisent des casques électrostatiques de 8000 à 60 000 € environ.

Avantages et inconvénients des transducteurs électrostatiques

Les avantages des transducteurs électrostatiques :

  • Musicalité hors pair
  • Régime transitoire époustouflant
  • Beauté des timbres

Inconvénients des transducteurs électrostatiques :

  • Utilisation nomade impossible
  • Prix stratosphérique

Le transducteur à conduction osseuse

Terminons ce tour d’horizon avec le transducteur à conduction osseuse. Initialement conçu pour les personnes souffrant de déficiences auditives, ce transducteur plaqué contre la mâchoire ou le crâne transmet des vibrations jusqu’à notre oreille interne, sans impliquer le tympan. En application musicale, ce type de transducteur — qui est à proprement parler un vibreur — est plutôt anecdotique en raison de ses limitations techniques. En effet, si l’air peut vibrer à des fréquences très élevées, la boîte crânienne en est évidemment incapable.

Ecouteurs à conduction osseuse

Des écouteurs à conduction osseuse Aftershokz Air.

Ainsi, la réponse en fréquence d’un casque à conduction osseuse est très étroite et ne permet pas d’entendre les fréquences les plus graves ni les plus aiguës. Par ailleurs, la distorsion est très importante.

Avantages et inconvénients des transducteurs à conduction osseuse

Avantages des transducteurs à conduction osseuse :

  • Possibilité d’entendre le son même avec un tympan déficient

Inconvénient des transducteurs à conduction osseuse :

  • Réponse en fréquence et marge dynamique très limitées
  • Aucune isolation passive

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