Transducteurs : comment fonctionnent les haut-parleurs de vos casques et écouteurs
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.
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.
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.
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
Pour compenser cette rapidité moindre dans les aigus, de plus en plus de constructeurs d'écouteurs sans fil proposent désormais des systèmes à doubles transducteurs. Les transducteurs dynamiques sont alors accompagnés de modèles planaires, piézoélectriques, à armature équilibrée -- ou même d'un second transducteur dynamique plus petit, comme sur les Xiaomi Redmi Buds 4 Pro -- qui vont se concentrer en premier lieu sur les fréquences les plus hautes.
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.
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, d'Anker sur ses Soundcore Liberty 3 Pro ou de Philips sur ses Fidelio T1.
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 piézoélectrique
Les transducteurs piézoélectriques -- ou PZT -- sont utilisés depuis très longtemps en raison non seulement de leur format compact et de leur prix accessible. Le principe est simple, puisqu'il s'agit de déformer, à l'aide de l'électricité, un matériau conducteur piézoélectrique comme la céramique. Les vibrations qui vont alors résulter de cette transformation vont ensuite produire des ondes sonores. Néanmoins, en raison du faible débattement du matériau utilisé, ces transducteurs sont dans la plupart des cas utilisés pour émettre des vibrations dans les aigus.
Concrètement, les transducteurs piézoélectriques peuvent être utilisés seuls dans les jouets pour enfants. Certains constructeurs, comme Honor avec ses Earbuds 3 Pro, en utilisent également pour épauler le transducteur dynamique principal de leurs écouteurs.
Avantages et inconvénients des transducteurs piézoélectriques
Les avantages des transducteurs piézoélectriques :
Bonne restitutions des aigus
Petite taille et de nombreuses formes
Les avantages des transducteurs piézoélectriques :
Aucun impact dans les basses fréquences
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.
Les casques Planar Magnetic sont destinés aux applications hi-fi et très prisés des mélomanes les plus exigeants. Huawei a par ailleurs décidé de s'en équiper pour ses FreeBuds Pro 2, en complément d'un transducteur dynamique de 11 mm.
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.
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.
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