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" Perfectionnements aux dispositifs acoustiques ".
La présente invention se rapporte aux dispositifs acoustiques, et plus particulièrement aux dispositifs d'at ténuation destinés à être utilisés avec des systèmes de transmission d'ondes acoustiques .
L'invention a pour but d'atténuer l'énergie des ondes sonores dans un système acoustiques sans introdaire une déformation appréciable.
L'inv ntion a également pour but de contrôler le vola. me du son rayonné à partir des pavillons de phonographes, des haut-parleurss électriques, et autres dispositifs acous tiques, et plus particulièrement de contrôler le volume du son sélectivement par degrés d'une grandeur désirée quel- conque.
Conformément à l'invention, on introduit, dans le conduit acoustique d'une ligne de transmission acoustique,
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un système d'éléments d'impédance acoustique, qui sont al- ternativement disposés de façon à s'opposer à l'écoule- ment vibratoire de l'air et à dévier une partie du mouve- ment de l'onde sonore à partir du trajet principal de transmission. les éléments d'impédance sont, en effet, disposés alternativement en série e t , en dérivation par rap- port à la ligne de transmission acoustique, en formant dans celle-ci une section de ligne 'artificielle, dont les pro- priétés de transmission des ondes peuvent être contrôlées par la construction des impédances composantes.
Par l'em- ploi d'éléments dissipant l'énegie, construite en une ma- tière absorbant le son, telle que de la toile métallique fine ou du feutre de poil, leà propriétés d'atténuation du dispositif peuvent être rendues sensiblement uniformes pour tontes les fréquences importantes d'ondes sonores.
En outre, la combinaison de plusieurs éléments d'impédan- ce connectés en série et en dérivation permet de proportio. ner les éléments de telle manière que le dispositif d'atté- nuation puisse être introduit dans un système de transmissi donné sans provoquer une réflexion quelconque d'ondes. De cette manière on assure, un rendement d'ensemble uniforme et en or rive au résultat que le niveau de l'énergie acous tique est contrôlé en une manière ne donnant lieu sensible ment à aucune déformation.
Dansa.ne forme de réalisation de l'invention, le dis- posoitif d'atténuation comprend des éléments d'impédance en série, présentant la forme de disques eu. écrans en toi- le métallique très fine, placés transversalement dans le conduit acoustique d'un système de transmission, et des éléments en dérivation présentant la forme d'anneaux poreux intercalés entre ces disques ou éctans, de façon à former une paroi poreuse absorbant le son autour du conduit acous tique. De préférence, les surfaces extérieures des annaeaux
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poreux sont exposées, soit en totalité, soit en partie, à l'air libre, de sorte qu'une fraction quelconque de l'éner gie acoustique s'échappant à 1 'extérieur ne paisse être renvoyée par réflexion dan s le conduit acoustique.
Le terme "impédance" est utilisé* dans la présente description dans son sensle plus large, pour définir le rapport de la valeur effective d'une force vibratoire harmonique simple, d'une nature quelconque, à la vitesse résultante dans le milieu auquel cette force est appliquée
Ceci est une extension de la définition du terme "impédan- ce " tel qu'il est ordinairement employé dans le cas da d'ondes mouvement électriques . Dans des systèmes acoustiques, le mouvement des ondes a lieu sous la forme d'un écoulement vibratoire de l'air sous l'action d'une pression vibratoi- re eorrespondante se superposant à la pression normale de l'air.
La vitesse de l'air dans un conduit se mesure le mieux par le volume s'écoulant à travers une section trans- versale donnée da conduit, et l'expression " impédance acoustique" est utilisée pour définir le rapport de lin- tensité de pression en excès, en an point donna dans le système, à la vitesse volumétrique en ce po int. L'impé- dance acoustique peut âtre résistive en réactive ou com- plexe, suivant que la vitesse est en phase ou hors de pha- se avec la force vibratoire agissante, et en outre une im- pédance réactive peut être da type à inertie ou. du type éla tique, suivant que l'élément d'impédance est propre à emmagasiner de l'énergie sous la forme cinétique ou sous la forme potentielle.
Dans certaines conditions, l'impédance acoustique peut être calculée d'après les dimensions géométiqaes et dans d'autres, cas elle peut être déterminée par des mé- thodes de mesure directe. Une méthode convenable de mesure est décrite par G.W. Steward dans la " Physical Review"
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Vol. 28, n 5, Novembre 1926, page 1038-
La conception de l'impédance acoustique permet d'ap- pliquer les formules bien connues de la transmission, qui ont été établies en référence à des systèmes électri- ques, à l'étude des systèmes acoustiques, et la connaissan ce des valeurs d'impédance permet de déterminer les pro- priétés de transmission des ondes dans un cas particulier quelconque.
Les dispositifs d'atténuation, qui font l'objet de la présente invention, étant des dispositifs résistance sent particulièrement propres à être utilisés avec des systèmes de transmission acoustique de qualité supérieure qui sont en général caractérisés par une impédance carac- téristique de résistance sensiblement constante. Un exem- ple d'un tel système de transmission acoustique est indi- qué dans la combinaison du papillon à courbure exponentiel le et de la boite acoustique dans our latent n 329859 dated 8 th December 1923.
L'application de ces dispositifs d'atténuation sui- vant l'invention n'est toutefois pas limitée aux systèmes de transmission acoustique de haute qualité, mais ils peuvent être utilisés avantageusement dans un système acoustique quelconque et, dans certains cas, ils peuvent produire une amélioration dans la qualité de la transmis- sion.
L'invention est décrite ci-après en détail en réfé- rance au dessin ci-joint , dans lequel:
La fig. 1 représente l'application de l'invention à un phonographe .
La fig. 2 est une vue de détail en coupe suivant la ligne A-A1 de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de détail en plan, partielle- ment en coupe horizontale, de l'atténuateur représenté sur les figures 1 et 2. @
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Les figs. 4,5, 6 et 6a représentent différents types d'éléments d'impédance acoustique propres à être utilisés dans des atténuateurs acoustiques suivant l'invention.
Les figs. 7 et 8 représentent différents modes de montage des éléments d'un atténuateur acoustique .
Les figs. 9 et 10 sont des schémas destinés à faire comprendre la théorie de l'invention, et
Les figs. 11, 11A, 11B, 12 et 12A représentent d'au- tres types d'éléments diimpédanca acoustique.
En référence aux figs. 1 à 3, le dispositif représen téest on atténuateur à éléments multiples destiné à être utiliséavec un phonographe, Près de sa partie étranglée le pavillon 10 du phonographe comprend une pièce tabalai- re transversale 18, à l'intérieur de laquelle peut coulis ser le support 13 avec les différents éléments atténua- tears. Ces éléments atténuateurs, au nombre de trois, sont montés dans des tubes transversaux 15, 16 et 17, de sorte qu'en faisant coulisser le support 13 à l'intérieur da ta- be 18, on peut insérer l'an quelconque de ces éléments atténuateurs dans le conduit acoustique du pavillon.
Un tube additionnel droit 14 permet d'employer le pavillon de la manière normale sans interposition d'un élément at- ténuateur. Le support 13 peut être déplacé dans la direc- tion de son axe au moen de la crémaillère 26 et do. pignon 27, sur lequel est fixée la poignée de manoeuvre 29. La position da support 13 par rapport au conduit acoustique du pavillon est indiquée au moyen de la barre graduée 35 fixée rigidement sur celai-ci.
Bien que ne constituant pas une partie essentielle de l'atténuateur, une caractéristique utile de la construction représentée consiste dans la disposition d'un tube addition nel courbe 30, monté dans le support et qui constitue un conduit acoustique pour le pavillon vers une autre source d'ondes, telle que le dispositif récepteur électrique 34.
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Les atténuateurs consister .en des écrans 37 en toi- le métallique à maille fine, placés transversalement dans les tabes qui leur servent de montures, et en des anneaux 38, en une matière absorbant le son, telle que la matière faite en fibre de canne à sacre connue sous le nom de:
" cel@tex" ces anneaux 38 séparant les écrans successifs 37. Les écrans 37, en raison de leur maille fine, agissent comme des impédances en série, tendant à réduire la pres- sion des ondes lorsque l'air passe à travers ces écrans, et les anneaux poreux agissent comme des éléments en déri- vation, tendant à absorber une partie de la vitesse du mouvement des ondes. Les tabes 15, 16, 17, servant de mon- tares aux atténuateurs, sont de préférence perforés, de sorte que l'énergie dérivée à travers les anneaux poreux peat s'échapper librement dans l'atmosphère. Les écrans et anneaux sont maintenus en position dans leurs montures tabulaires par des bagues de serrage 39.
Les figs. 4 et 5 sont des vues en coupe d'anneaux en matière absorbant le son, propres à être utilisés comme éléments d'impédance en dérivation. C es anneaux peuvent être faits en la matière poreuse absorbant le son, connue satis le nom de "célotex", ou en une autre matière compor- tant de nombreuses petites perforations. l'anneau représen té sur la fig. 4 doit avoir un diamètre intérieur approxi- mativement égal au diamètre du. conduit acoustique dans le- quel l'atténuateur est inséré. La valeur de la résistance acoustique est approximativement proportionnelle à l'épais seur radiale de l'anneau et est inversement proportionnel- le à l'étendue de sa surface interne exposée.
On peut par suite obtenir un accroissement de l'effet de dérivation en réduisant l'épaisseur de l'anneau, ou. en augmentant l'étendue de sa surface exposée. L'anneau représenté sur la fig. 5 montre an mode d'accroissement de l'étendue de
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la surface exposée sans augmentation de la longueur axiale de l'anneau.
Les figs. 6 et 6A représentent les éléments d'impêdan ce en série ou écrans. Dans la construction de ceux-ci, il a été constaté satisfaisant d'employer une toile métalli- que comprenant 250 fils métalliques d'un diamètre de 0,1 mm, par 25 mm. dans une direction, et 28 fils métalliques d'un dia être de 0,225 mm. dans l'autre direction , par
25 mm. Pour donner aux écrans on degré suffisant de rigi- dité, on peut les soucier à un cadre de fils métalliques forts 42 disposés en croix.
Les figs. 7 et 8 représentent deux modes types d'as- semblage des éléments de résistance. Ces deux figur@s mon- trent des dispositifs uniformes, se répétant continuelle- ment, de trois sections complètes. S ar la fig. 7, les élé ments d'extrémité sont des impédances en dérivation, la valeur des impédances d'extrémité étant double de celle des impédances en dérivation intermédiaires. Ce type de terminaison peut être appelé en "mi-dérivation". La fig.
8 représente la terminaison inverse oa en "miséris", l'im pédance d'extrémité constatant en an seul élément dt impé- dance en série, tandis que les éléments d'impédance inter- médiaires consistent en une paire d'écrans placés dos à - dos. Un écran de chaqae paire peut âtre disposé avec ses fils métalliques décalés angulairement par rapport aux fils métalliques de l'antre écran, en assurant ainsi la coopération la plas effective des deux écrans au.'point de vue du retard apporté à l'écoulement de l'air.
La li- gne de transmission suivant la fig. 7 peut être considérée comme étant faite d'une série de sections, comprenant chacune une paire d'impédance en dérivation séparées par une impédance en série, les sections étant du. type général représenté sur la fig. 9, conformément aux conventions élec triques habituelles. Dans le cas général, les impédances
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composantes de la section Parvent toutes avoir des valeurs différentes, mais, dans le type uniforme de ligne repré- senté, les sections sont symetriquement. La fige 10 mon- tre le schéma du type général de section correspondant à la fig. 8.
Le problème de construction consiste à proportionner les impédances d'une ou plasiears sections à trois éléments telles que représentées sur les figs. 9 et 10, de telle manière que le dispositif paisse être inséré entre des parties d'an système possédant des impédances déterminées d'avance, sans provoquer une réflexion d'ondes, et en mê- me temps à produire ane rédaction désirée dans la pression des ondes lorsque les ondes traversent le système. Des formules de construction, à partir desquelles on peat cal- culer les valears des impédances poar une seale section de l'an ou l'autre type, sont données ci-après.
Le cas le plas général est celai dans lequel la section doit être connectée entre des impédances inégales R et R2; les for- males, pour le cas dans lequel les impédances à connecter sont égales , se dédairont facilement da cas précédent.
Il sera sapposé que l'atténuateur est connecté à an système possédant une impédance R à son extrémité d'en- trée et une impédance R2 à son extrémité de sortie; soient 1?1 et P2 les pressions des ondes aax deux extrémités , res- pectivement.
On peut assigner ane valeur définie au. rap- port de pressions P1/P2, et on peut utiliser cette valeur avec R1 et R2, comme paramètres poar le calcul des impédan ces composantes. Pour les deux types de section représenta sar les figs. 9 et 10, les valears des impédances composas tes sont données par les équations saivantes :
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Dans lecas de la fig. 9 : 351 813
EMI9.1
Dans le eas de la fig. 10 :
EMI9.2
De ces équations, T est de la nature d'ane constante de propagation et est définie par l'équation:
EMI9.3
La quantité 3? diffère de la constante de propagation en ce qu'elle tient compte de l'énégalité des impédances d'extrémité; lorsque celles-ci sont égales, cette quantité T est égale à la constante de propagation.
Pour une discus sion générale des principes sur lesquels les formules pré- cédentes sont basées, il y a lieu de se référer à l'ouvra- ge " Transmission circuits for Téléphone Communication" par K.S. Johnson, et plas particulièrement an Chapitre X1 de cet ouvrage.
Il est évident qu'on peut obtenir an degré désiré quelconque d'atténuation au moyen d'an seul réseau à trois éléments, mais il est en général plus avantageux, au point de vue de la fabrication, d'obtenir de grandes atténuations en combinant plusieurs sections semblables construites cha- cune de façon à assurer une atténuation plus faible.
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La méthode de construction -précédente est applicable lorsqu'on dispose de moyens pour la mesure de l'impédance des éléments ou lorsqu'on dispose de données pour le calcul de l'impédance d'après les dimensions géométriques de ces éléments. En l'absence de telles facilités, le dispositif atténuateur du type en série et en dérivation se prête à une construction empirique, en utilisant la caractéristique d'ensemble de transmission, ou caractéristique de rendement du système comme critérium des résultats, et en modifiant les valeurs des éléments conformément à un petit nombre de règles.
En général, une construction dressai montrera une certaine atténuation moyenne à travers tout le champ de fréquences désirées, mais, par suite d'un équilibrage dé- fectueux des impédances, la caractéristique d'atténuation oscillera au-dessus et en-dessous de la valeur moyenne à différentes fréquences..
On peut accroître l'atténuation moyenne en augmentant les valeurs des impédances en série par rapport à celles des impédances en dérivation, et inversement, et on peut augmenter ou diminuer l'impédance totale du système en augmentant ou diminuant les impédances en série eten déri- vation dans le même rapport. De cette manière, on peut construire un atténuateur comme résultat d'un petit nombre
EMI10.1
d'essais de façon à donner approximativement une atténuation, Widt désirée ou. une diminationl'de volame du. son et cela sans introduire de déformation. On fait varier facilement les impédances des éléments, en atilisa-t fine matière don ée, en modifiant la surface exposée et l'épaisseur des éléments d'impédance.
Les figs. 11, 11A, 11B, 12 et 12A représentent des ty- pes composites d'éléments qui sont propres à combiner des résistances acoustiques en série et en dérivation en au
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seul dispositif. Ces types sont particulièrement utiles pour obtenir un haut degré d'atténuation.
Sur les figs. 11, 11A et 11B l'élément d'impédance acoustique consiste en an disque en celotex ou autre matière finement poreuse, qui s'étend en travers du conduit acousti- que . Plusieurs fentes ou rainures parallèles 50 sont décou pées dans les faces opposées de la partie centrale 51 du dis que, de telle manière que les rainures dans une face se trouvent dans une position décalée par rapport aux rainures dans l'autre face. Ces rainures ent une profondeur supérieu re à la moitié de l'épaisseur du disque en celotex, de sorte que les rainures dans les faces opposées se chevau- chent.
Une partie périphérique annulaire 52 est destinée à donner de la rigidité au dispositif et à fermer les ex- trémités des fentes ou rainures 50, de sorte qu'elles ne s'étendent pas jusqu'aux parois du conduit acoustique dans lequel l'élément d'impédance est placé, Les fig. 11A et 11B représentent respectivement des vues en coupe transversale de l'élément- suivant les diamètres perpendiculaires entre eux, A A1 et B B1 sur la fige 11. La composante en série de l'impédance offerte par un élément de ce type, de dimen- sions données, dépend du degré de chevauchement des rainures
50 et de la distance- entre ces rainures, c'est-à-dire que la résistance-série diminue lorsque le degré de chevauche- ment des rainures augmente et augmente lorsque la distance entre les rainures s'accroît.
La composante en dérivation de la résistance dépend de la section transversale des rai- nuresVde l'épaisseur radiale @ de la partie annulaire 52.
Le disque en celotex représenté sur les figs. 12 et 12A est semblable à celai représenté sur les figures précé- dentes, sauf qu'il comprend des trous 53 forés dans les fa- ces opposées, au lieu de comprendre des fentes ou rainures comme représenté sur les figures précédentes. Ces trous @e
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chevauche et agissent de la même manière que les fentes, ou. rainures.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée au type particulier d'atténuateur acoustique décrit ci-dess# ni à un type d'atténuateur employant les éléments particu- liers d'absorption du son tels que décrits ci-dessus. D'au- tres combinaisons d'éléments de résistance en série et en dérivation viennent immédiatement à l'esprit, ainsi que d'autres moyens pour faire varier mécaniquement le degré dtatténuation, par exemple en recouvrant la surface des éléments en série et en découvrant simultanément la surface des éléments en dérivation par des obturateurs actionnés mécaniquement.
En outre de leur utilisation cornue dispositifs d'atté- nuation, les atténuateurs suivant l' invention peuvent égale- ment être employés comme "tampons" résistifs de ligne pour empêcher l'action mutuelle de réflexions d'ondes entre deux positions d'un système acoustique. Dans ce cas, les atténua- teurs agissent comme dispositifs correcteurs de déformations, car l'action mutuelle d'ondes réfléchies ou la réflexion répétée d'ondes entre deux points dans un système produit en général une déformation de la caractéristique de trans- mission. La correction de déformation est naturellement ac- compagnée diane certaine atténuation.
Une application utile des atténuateurs comme dispositifs corrigeant la déformation se rapporte à leur emploi avec des pavillons acoustiques re- producteurs de sons, qui, en raison de leurs contours irré- gu.liers ou de conditions défectueuses à leur embouchure ou dans leur partie étroite, présentent des hauts et des bas dans la caractéristique de rendement par suite des ef- fets de réflexion. L'insertion d'un atténuateur du type récrit, dans la partie étranglée du pavillon, exerce une @ action efficace à un grand degré au point de vue de la sup-
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pression de ces hauts et bas dans la réflexion.
EMI13.1
R111'VEl'iDICATIONS . ,------------------ 1. Un atténuateur acoustique comportant une impédance
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résistive sensiblement constante aux ondes acoustiques dans un champs étendu de fréquence.
2. Un conduit sonore et an atténuateur acoustique régla ble pour ce conduit, l'impédance du dit atténuateur étant sensiblement égale aux différents réglages pour des atténua- tions différentes.
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3. Un conduit sonore acoustique et an atténuateur pour ce conduit comportant une impédance en série pour arrêter les ondes sonores transmises à travers ce conduit et une im- pédance en dérivation pour dissiper l'énergie acoustique.
4. Un conduit sonore acoustique, un dispositif atténua- teur pour celui-ci comprenant un système de résistances acots tiqaes, l'impédance duquel mesurée à un de ses extrémités est sensiblement égale à l'impédance à l'entrée du conduit acoustique à partir de cette extrémité.
5. Un atténuateur acoustique, ayant des impédances d'entrée et de sortie différentes l'une de l'autre, mais éga- les respectivement aux impédances entre lesquelles elles agissent.
6. Un atténuateur acoustique donnant sensiblement une atténuation constante sur une large bande de fréquence.