Transducteurs : découvrez comment fonctionnent vos casques audio et vos écouteurs

Nous parlons souvent d'écouteurs et de casques audio, mais connaissez-vous vraiment leur fonctionnement ? Savez-vous ce qui transforme un simple signal électrique en son ? On vous propose de faire le tour de la question et de découvrir en détail ces petits haut-parleurs que sont les transducteurs, en approchant aussi d'autres technologies de reproduction sonores.

Ce dossier s'organise en plusieurs parties de manière à vous proposer un aperçu relativement complet des technologies que l'on retrouve sur les casques et les écouteurs, des transducteurs les plus simples jusqu'aux plus étonnants.

Il convient de préciser en premier lieu que le terme « transducteur » désigne un élément transformant un type de signal en un autre type de signal. Dans le secteur audio, un transducteur désigne tout simplement le haut-parleur d'une enceinte ou la cellule d'un microphone.

Les transducteurs électrodynamiques : la base

La technologie dite électrodynamique englobe trois types de haut-parleurs parmi les plus répandus :

• Électrodynamique : un terme exact mais imprécis pour désigner le type de haut-parleur électrodynamique le plus commun.
• Planaire : aussi appelé « orthoplanaire », « orthodynamique » ou parfois « isodynamique ».
• Armature équilibrée : technologie presque exclusivement présente sur les écouteurs.

Ce type de transducteur/haut-parleur repose sur l'un des principes physiques de l'électrodynamique. Rassurez-vous, point de calcul ou de notion trop avancée ici, nous resterons à la surface des choses pour décrire le principe.

Comme précisé plus haut, parler d'électrodynamique revient à évoquer sa technologie la plus courante (de très loin) plutôt que son principe fondamental, une imprécision, certes, mais une convention adoptée par le plus grand nombre. De fait, n'importe quelle enceinte ou casque classique fonctionne grâce à cette technologie reconnaissable à sa membrane ronde en forme de dôme.

Une base physique

Tout transducteur électrodynamique fonctionne avec un couple aimant/bobine, à la façon d’un moteur électrique dit linéaire. Dans un moteur rotatif, une bobine (accrochée à un axe) tourne dans un sens et dans un autre autour d'un enroulement d'aimants. Dans un moteur linéaire, cette bobine avance et recule, prise dans le champ magnétique d'une ligne d'aimants.

L'action d'un transducteur dynamique utilise donc le couple aimant/bobine en jouant sur plusieurs principes de base de l’électrodynamique.

Tout d'abord, un matériau conducteur, parcouru par un courant électrique, génère un champ magnétique par induction. Celui-ci est négligeable (à basse tension) dans un câble, mais bien plus important dans une bobine, de par son agencement particulier. Inversement, une variation de champ magnétique à proximité d'un conducteur génère un courant électrique. C'est le même principe d'induction que celui de la charge sans fil.

Mais ça ne fait pas tout le fonctionnement d'un haut-parleur électrodynamique : en effet, la bobine est plongée dans le champ magnétique d'un aimant. C'est là qu'entre en jeu le principe de la force de Laplace, soit une interaction entre le champ permanent de l'aimant et le champ variable créé par le courant alternatif (le signal audio) traversant la bobine. Cette interaction se traduit comme une force mécanique, d'attraction ou de répulsion. On considère, dans notre référentiel, que l'aimant est fixe et que seule la bobine se déplace.

On peut illustrer ce mouvement mécanique par la « règle des trois doigts de la main gauche », qui permet de comprendre le sens du déplacement (voir illustration). Ce fonctionnement n'est pas forcément intuitif, mais il est valable pour toutes les familles de transducteurs électrodynamiques (planaires, armature, AMT, ruban).

Et le son ?

Il ne reste alors plus qu'à fixer/coller la bobine sur une membrane, elle-même fixée à la structure du haut-parleur afin de lui être asservie.

Le mouvement de la membrane (entraînée par le mouvement de la bobine), de 20 cycles à 20 000 cycles par secondes (20 Hz à 20 000 Hz, avec une amplitude plus ou moins grande), crée une agitation dans les molécules d'air. En d'autres termes : un son.

Contraintes

Nous avons là en théorie notre haut-parleur dynamique parfait. En pratique, énormément d'éléments sont à prendre en compte pour estimer sa qualité, allant de la disposition de la bobine au type de membrane, en passant par la rémanence de l'aimant permanent utilisé.

Les données constructeur évoquent en général trois points spécifiques :

• La réponse en fréquence, que l'on devrait plutôt appeler la bande passante. Elle indique la gamme de fréquence couverte par le haut-parleur, par exemple 20 Hz – 20 kHz à - 3dB de tolérance. Cette dernière indique que le haut-parleur peut reproduire des fréquences de 20 Hz à 20 kHz, valeurs en-dessous (20 Hz) et au-dessus (20 kHz) desquels une baisse de plus de 3dB est constatée. En pratique, les marques prennent rarement en compte cette faible tolérance de 3 dB, et peuvent parfaitement mettre 20 Hz – 20 kHz comme 5 Hz – 100 kHz, même si cela n'est pas vérifié.
• L'impédance soit la résistance de la bobine + le câble à un courant électrique alternatif. L'impédance donnée par les constructeurs est toujours relative à une fréquence de 1 kHz, et peut grandement varier suivant les fréquences. Elle dépend de nombreux facteurs, dont la longueur du fil constituant la bobine, le nombre de spires, le diamètre du fil, le matériau, etc.
• La sensibilité : cette donnée s'obtient en mesurant l'intensité sonore du haut-parleur pour un signal de 1 mW aux bornes du transducteur, généralement mesuré à 1 kHz. Elle désigne, d'une certaine façon, son efficacité énergétique, à travers une valeur mécanique (en dB/mW). C'est une valeur encore plus générale car elle dépend de l'intégralité de la structure (incluant l'aimant) et non d'un seul élément comme la bobine.

Nous n'irons pas plus loin dans les détails techniques, certes très intéressants mais dont le développement serait laborieux pour ce seul dossier.

 Évolutions et variations

Ce principe aimant/bobine/membrane est la base du transducteur électrodynamique, introduit pour la première fois (officiellement) sur le casque Beyerdynamics DT48, à la fin des années 1930.

Technologie plus efficace que ce qui existait jusqu'alors, le principe électrodynamique reste encore de très loin le plus répandu à l'heure actuelle, et fut à l'origine d'innovations majeures : premier modèle stéréo (le Koss SP/3 en 1958), premier modèle ouvert (Sennheiser HD414 en 1968), et bien sûr les premiers modèles à réduction de bruit (Bose Aviation Headset et Sennheiser LHM 45 NoiseGuard vers 1987).

Sa force est clairement sa souplesse, puisque son principe peut se décliner des plus petits haut-parleurs d'écouteurs jusqu'à des tailles démesurées. La découverte des aimants en néodyme, bien plus efficaces que la ferrite ou l'alnico, a permis de démocratiser les casques nomades à partir des années 1980.

Le matériau utilisé pour les membranes a également changé au fil des époques. Cette membrane doit être, dans l'idéal, la plus fine et la plus légère tout étant la plus rigide possible. Evidemment, il n'y a pas de matériau parfait, c'est pourquoi énormément de genres coexistent. Parmi les plus répandus on trouve :

• Plastique/polymère : famille la plus commune, que l'on retrouve du bas de gamme au très haut de gamme, parfois épaulée par un autre matériau en surcouche, type béryllium ou carbone amorphe.
• Métal : aluminium, magnésium, parfois titane, et très rarement en pur béryllium (haut de gamme Focal). Ces membranes ont souvent des spécificités que l'on reconnaît presque immanquablement à leur signature sonore. Le titane, par exemple, donne généralement des pics peu maîtrisés dans les aigus.
• Biocellulose : terme un peu générique et fourre-tout, qui peut aller de la membrane papier (peu efficace dans les aigus) ou bois, jusqu'à de la cellulose bactérienne (rarissime), en passant par de la fibre végétale (très courant). Des marques comme B&W apprécient particulièrement ce matériau.

L'écueil principal du transducteur électrodynamique est qu'il n'a jamais connu de véritable révolution. Les avancées se font sur des détails et sur les à-côtés acoustiques.

Électrodynamique : tous les autres

Comme nous l'avions précisé, ce transducteur appelé « électrodynamique » n'est en fait qu'une disposition parmi d'autres. En effet, cette dualité aimant/bobine, avec exploitation des forces électromagnétiques, existe dans pratiquement tous les autres types de transducteurs. Ceux-ci sont plus rares, car souvent plus coûteux, plus spécifiques à une gamme de fréquence, ou tout simplement très contraignants. L'électrodynamique classique fonctionne parce qu'il est un compromis parfait.

Transducteur à armature équilibrée

Présents presque exclusivement sur certains écouteurs, ces étranges parallélépipèdes de métal n'étaient pas spécifiquement pensés, à la base, pour le domaine audio, mais sont à présent exploités pour la souplesse qu'ils autorisent.

On retrouve ici le couple aimant/bobine, mais agencé et utilisé différemment. Une petite armature métallique est placée en « équilibre » dans le champ d'un aimant, lequel va interagir avec le second champ créé par une bobine entourant l'armature, ce qui va faire osciller cette dernière. L'armature est fixée à une tige, elle-même fixée à une membrane.

Une petite chambre acoustique permet alors de diriger le son vers un tube métallique, que l'on prolonge généralement par un second tube en plastique jusqu'à la sortie des écouteurs.

Paradoxalement, le transducteur à armature, dans sa forme originelle, est plus vieux que le transducteur électrodynamique classique : son apparition remonte à la fin des années 1880. Le principe était globalement le même, avec une armature encore plus instable. Une intensité ridiculement faible suffisait à déplacer le couple membrane/tige, un défaut pour une utilisation audio, mais qui permit l'essor de téléphones « crystal phone » et de certaines radio, que la seule pression acoustique de la voix permettait d'alimenter en courant. Le transducteur était alors utilisé en microphone et non en haut-parleur (principe inverse donc).

 Ce type de transducteur présente quelques particularités :

• Une très grande sensibilité (10 à 1 000 fois supérieure à celle d'un transducteur électrodynamique classique)
• Une grande souplesse pour le filtrage et d'appairage : possibilité de création de structures multivoies et multi-transducteurs (séparation des gammes de fréquences entre plusieurs transducteurs)
• Un coût de fabrication faible
• Une efficacité certaines dans aigus, beaucoup moins pour les basses (petite membrane), ce qui limite cette technologie aux écouteurs

Transducteur planaire/orthodynamique

Autres représentants encore relativement classiques de la famille électrodynamique, les transducteurs planaires sont très proches des électrodynamiques de base, mais l'agencement des éléments qui les composent varie pour améliorer certains points.

De par la disposition de la bobine et de l'aimant, le transducteur électrodynamique classique possède des défauts impossibles à combler. La bobine, fixée sur une zone limitée de la membrane, ne peut pas faire bouger cette dernière dans son ensemble immédiatement. Il y a donc un décalage de propagation entre le point de fixation de la bobine et la périphérie de la membrane, ce qui affecte la linéarité de l'ensemble, en particulier dans les basses.

Le transducteur planaire, lui, prend le problème à l'envers et ne place pas de bobine dans le creux d'un aimant ; à la place c'est une bobine plane (réseau filaire) qui est intégrée sur l'ensemble d'une membrane, tout en disposant d'un large réseau d'aimant. Grâce à cela, la membrane du haut-parleur se fait alors plus réactive, linéaire, et potentiellement beaucoup plus large. Toute la membrane bouge en même temps, il n'y a pas de propagation à partir d'un point précis.

La difficulté ici est de parvenir à obtenir un champ magnétique puissant. La bobine plane est en effet assez éloignée des aimants et de leur axe dit « Nord-Sud ». Un large et lourd réseau d'aimants (souvent en barre) est donc nécessaire, généralement placé des deux côtés de la membrane pour optimiser sa force. Ce haut-parleur, plus lourd et complexe à régler, beaucoup moins sensible et donc plus difficile à alimenter, est à présent la technologie reine des casques HiFi haut de gamme.

Électrodynamiques particuliers

Pour être complets mais concis, nous pouvons encore évoquer deux autres types de transducteurs, un peu plus rares, tout de même utilisés dans les casques audios et écouteurs.

AMT : vive l'accordéon

Le transducteur AMT est un genre implémenté sur quelques rares casques audio comme les très vilain casque Ergo AMT ou le plus récent HEDDphone, ainsi que dans les écouteurs intras les plus chers au monde (les OBravo RA-c-cu à 10 000 $), mais cette technologie reste surtout utilisée en tant que tweeter pour les enceintes haut de gamme.

Son principe est proche du transducteur planaire, puisqu'il intègre une bobine plane directement sur la membrane qui est ici plissée, comme un accordéon. Elle ne créé donc pas le mouvement d'air en avançant et en reculant, mais en se comprimant et se détendant. Le gros avantage de cette conception est sa capacité à expulser l'air extrêmement rapidement avec un mouvement minimum. Ce type de haut-parleur, là-aussi très lourd et difficile à alimenter, est particulièrement efficace dans les hautes fréquences, bien moins dans les basses fréquences.

Ruban : le faux jumeau ultra-aigus

Extérieurement, le transducteur à ruban ressemble à l'AMT. Mais ici, un élément plié et conducteur en aluminium, placé entre deux aimants, sert à la fois de membrane et de bobine plane. La membrane ne se compresse pas, elle avance et recule comme dans tous les autres électrodynamiques.

Ce type de transducteur peut monter très loin dans les aigus (sans trop problème autour des 30 kHz voire 50 kHz) et fait montre d'une linéarité impressionnante. C'est une des raisons pour lesquelles il est utilisé dans quelques microphones très haut de gamme et dans les tweeters d'enceintes.

À l'heure actuelle, le transducteur ruban n'est intégré, à notre connaissance, que dans un seul casque : le Raal Requisite SR1A. En effet, il souffre d'un problème assez simple : sa sensibilité ridicule, due à une faible induction, suppose qu'un tel casque nécessite une puissance démentielle pour fonctionner ; en outre, il demande un adaptateur spécial pour compenser une impédance proche de 0 (ce peut occasionner un court-circuit dans l'amplificateur).

Les autres transducteurs

Si le principe électrodynamique est archi-dominant, il n'est pas le seul moyen de transformer un signal. D'autres genres de transducteurs, souffrant souvent d'énormes limites, existent.

Électrostatique : la reine audiophile

Popularisé par Stax dans les années 50, la technologie électrostatique sur casque repose sur un autre principe de répulsion/attirance.Cette fois, on abandonne le couple aimant/bobine pour un trio composé de deux électrodes et d'une membrane polarisée.

Une membrane extrêmement fine est ainsi polarisée à une tension continue, entre quelques dizaines et plusieurs centaines de Volts suivant les modèles. De l'autre côté, des plaques métalliques perforées (électrodes) reçoivent l'audio sous forme de signal électrique, là-aussi à plusieurs centaines de volt (-200 V + 200 V par exemple), chacune ayant toujours une tension opposée à l'autre.

À l'image de la force de Laplace en électrodynamique, les intéractions électrostatiques se traduisent par une force mécanique exprimée par la loi de Coulomb. Selon celle-ci, deux charges statiques de même polarité se repoussent, deux charges statiques de polarité opposée s'attirent. La membrane polarisée, attirée et repoussée par les électrodes, crée donc un son en se déplaçant. Son extrême légèreté (aucune bobine pour l'alourdir), permet une réactivité extrême et une réponse très étendue dans les aigus. Toutefois, du fait de leur particularité, les transducteurs électrostatiques nécessitent des amplificateurs spéciaux qui ne sont presque jamais adaptés à une utilisation nomade.

Assez rare, ce transducteur est pourtant iconique car il équipe le casque le plus cher du marché, le HE-1 Orpheus de Sennheiser.

Electret : l'électrostatique pratique

Vous avez peut-être déjà entendu parler d'écouteurs avec transducteur électrostatique, notamment sur des modèles haut de gamme, sans que cela ne nécessite d'amplificateur particulier. Dans un tel cas, les transducteurs sont des modèles dit à électret.

La différence est simple, la membrane est ici polarisée en permanence, tout comme nous utilisons des aimants permanents dans les modèles électrodynamiques. Ces dispositifs, plus petits, demandent également une tension plus faible aux bornes des électrodes (avec parfois un petit transformateur de tension en amont).

Notons que les transducteurs à électret sont souvent utilisés dans les microphones. Leurs équivalents purement électrostatiques sont les modèles à condensateur, qui nécessitent l'utilisation d'une alimentation fantôme (entre 9V et 52V pour les micros modernes) pour la polarisation.

Piézoélectrique : faire tout, tout seul

Finis les principes de répulsions et d'attirance, les transducteurs piézoélectriques sont beaucoup plus simples. Ici, l'objectif est d'exploiter les propriétés de certains matériaux, principalement des quartz ou des céramiques, qui ont pour particularité de légèrement se déformer une fois soumis à un courant électrique. Ces déformations sont suffisantes pour créer un déplacement d'air et donc un son.

Malheureusement, le très faible volume d'air déplacé limite les transducteurs piézoélectriques aux hautes fréquences, c'est pourquoi on ne les retrouve en général qu'en tant que tweeter dans quelques écouteurs. Notons que ces transducteurs étaient très courants dans les appareils auditifs (écouteurs cristal) au cours des années 60-70, du fait d'un coût très faible. Ils ne sont en fin de compte pas particulièrement adaptés à l'écoute musicale.

Conduction osseuse

Très étrange, déjà assez connue grâce à des marques comme Shokz (anciennement AfterShokz), la conduction osseuse n'est pas un genre de transducteur à proprement parler, mais une technique générale de propagation du son.

Le principe est de transmettre une onde mécanique par les os de la mâchoire et du crâne, jusqu'à la cochlée, l'organe qui transforme les vibrations en information nerveuse. Très utilisé par certains malentendants puisqu'elle permet de se passer du tympan, la conduction osseuse est également intégrée dans des écouteurs sportifs, qui n'obstruent donc pas le canal auditif. Bien que les technologies utilisées soient rarement explicites, elles sont généralement un dérivé de l'électrodynamique. Quelques rares constructeurs haut de gamme exploitent également les transducteurs piézoélectriques en conduction osseuse, comme Unique Melody sur ses MEST.

Plasma : celui qui n'existait pas

Si nous avons présenté des transducteurs très rares voire presque uniques sur des casques et écouteurs, le driver plasma, ou ionophone, reste le plus exotique, puisqu'il n'a jamais dépassé l'étape de prototype sur des casques audio. L'unique référence que l'on connaisse est un système appelé Plasmasonic. Côté enceinte, le transducteur plasma existent sur quelques rarissimes références en tant que tweeter ou « super-tweeter » (pour les fréquences au-delà de 20 kHz).

La recette ? Générer un courant suffisamment important entre deux électrodes pour ioniser l’air, le rendant ainsi très conducteur. Dans cet état ionisé, l'air peut interagir avec un champ magnétique, vibrant comme le pourrait le faire une membrane. Sur le papier, l'absence de masse (membrane) permet d'outrepasser les limites rencontrées par d'autres technologie en termes de rapidité et d'amortissement. Cela autorise notamment des très hautes fréquences (jusqu'à 100 kHz), et ce, de manière suffisamment linéaire.

Plusieurs problèmes existent toutefois. Le premier est la limitation dans les basses fréquences, du fait du peu d'air déplacé. Le second, bien plus gênant, vient de la sécurité, notamment de l'ionisation de l'air (émission de plusieurs gaz). Il n'est donc pas si étonnant de constater que jamais un constructeur ne s'est hasardé à vendre un tel produit, et qu'aucun produit fait maison de ce type n'a jamais été vu en fonctionnement.