Effet de peau.... vraiment ?

[Eric]

(08-08-2016, 11:47 PM)Jacques92 a écrit :

C'est pourquoi, meme si je crois pas que l'effet de peau puisse expliquer les constations de Maxi, Audio research ou Audio note, je suis curieux d'avoir une explication plus adéquate (à mes yeux) de l'apport du fil de Litz : bref avoir l'explication scientifique qui colle avec les faits audibles...

L’effet de peau apparaît dans un conducteur soumis à un champ électromagnétique alternatif. En fonction de la fréquence f du champ, la densité de courant électrique circulant dans le conducteur tend à se répartir majoritairement dans une couche en surface du conducteur. 
Cette couche a une épaisseur δ exprimée selon la relation 1. δ = s 2 σµω (1) avec : — σ, la conductivité électrique du matériau ; — µ, sa perméabilité électrique ; — ω = 2π f , la pulsation associée à la fréquence f . L’épaisseur de peau diminue donc si la fréquence augmente. Il en résulte que la section de passage du courant est d’autant réduite. Par conséquent, la résistance du conducteur et les pertes Joule en son sein augmentent. Les pertes varient suivant la forme de la section du conducteur.
 
C’est pourquoi, l’emploi d’inducteurs pleins pour des applications à hautes fréquences présente deux inconvénients. D’une part, la proportion d’énergie transmise à la charge peut être faible (≈ 60 %). D’autre part, il faut évacuer l’énergie perdue dans les inducteurs pour ne pas risquer leur dégradation. Face à ces difficultés, une idée originale consiste à employer des inducteurs divisés, formés de brins cylindriques individuels et recouverts d’isolant. Plusieurs brins sont torsadés et forment un paquet. Plusieurs paquets sont torsadés ensemble, formant un paquet plus gros. Le processus est répété jusqu’à obtenir un câble multibrins du diamètre désiré. Un tel agencement porte le nom de fil de Litz. L’idée de base de cette conception consiste à emmêler des brins de section inférieure à l’épaisseur de peau dans le but de contrer l’effet de peau en forçant le courant à se répartir uniformément dans la section du câble.

Malheureusement, un nouveau phénomène apparaît alors : l’effet de proximité. Celui-ci se manifeste lorsqu’un minimum de deux fils voisins sont parcourus chacun par un courant alternatif. S’ils circulent dans le même sens, alors les deux courants ont tendance à se repousser mutuellement. Ainsi, la densité de courant n’est pas uniforme dans la section des brins : elle est faible dans la zone où les brins sont voisins et maximale à l’opposé. L’inverse se produit si les courants circulent en sens opposés : les courant s’attirent mutuellement. De nouvelles pertes apparaissent donc au sein des inducteurs multibrins, les pertes par effet de proximité. La question de l’influence de la géométrie interne d’un inducteur multibrins est donc essentielle.

[loandsound]

(08-09-2016, 12:30 AM)Jacques92 a écrit : Pour continuer sur ce sujet,  se rappeler ou découvrir l'histoire de la théorie de l'effet photoélectrique ou comment inventer une nouvelle theorie pour expliquer un fait jusque là incomprehensible.

Désolé, je n'avais pas vu ce message venir s'intercaler avant mon dernier post...
Tu résumes mieux que moi il faut croire...

[Bkg2k]

(08-09-2016, 01:09 AM)Eric a écrit : L’effet de peau apparaît dans un conducteur soumis à un champ électromagnétique alternatif. En fonction de la fréquence f du champ, la densité de courant électrique circulant dans le conducteur tend à se répartir majoritairement dans une couche en surface du conducteur. 
Cette couche a une épaisseur δ exprimée selon la relation 1. δ = s 2 σµω (1) avec : — σ, la conductivité électrique du matériau ; — µ, sa perméabilité électrique ; — ω = 2π f , la pulsation associée à la fréquence f . L’épaisseur de peau diminue donc si la fréquence augmente. Il en résulte que la section de passage du courant est d’autant réduite. Par conséquent, la résistance du conducteur et les pertes Joule en son sein augmentent. Les pertes varient suivant la forme de la section du conducteur.

Personne ne conteste l'existance du phénomène physique. On trouve tout un tas d'information dessus, et toutes les fonctions de calcul appropriée.

Prenons la frequence audio maximum courament admise, soit 20kHz.
En applicant le calcul de la profondeur de la peau à cette frequence, on trouve 0.46mm. Appliquée a un conducteur cylindrique, ça nous donne 0.92mm de diametre maximum, sans perte de cuivre.

63% du courant circule entre la periphérie et la profondeur de peau, le reste continue à circuler en profondeur. Si on extrapole a peine un peu, on peut garder en teêe comme référence qu'un conducteur d'1mm de diametre ne soufrira pas (ou extremement peu) de l'effet de peau dans la bande Audio.

L'effet de peau en lui même importe peu, si ce n'est qu'il augmente l'impedance, et va provoquer plus de perte d'energie par effet joule.
Cependant, toujours dans la bande audio, à 20khz, l'augmentation de l'impedance est de l'ordre de la dizaine de milliOhm. Une unité très faible et très peu utilisée en electronique, hormis dans des cas specifiques.

Pour avoir une idée de l'impact dans les hautes frequences: à 60Khz, la peau est encore epaisse de 0.25mm. A 6Mhz, elle n'est plus que de 25µm (0.025mm). On comprends aisément qu'à des frequence en Mhz ou plus, l'effet de peau devient effectivement, extremement nocif.

On peut trouver des informations interessantes ici: https://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect (surtout quelques courbes inetressantes)
Des informations plus ou moins vulgarisées ici: https://ythurel.web.cern.ch/ythurel/Nume...%20rcu.htm
Et des informations plus techniques, plus completes et complexes ici: http://www2.schneider-electric.com/docum...s/ct83.pdf

(08-09-2016, 01:09 AM)Eric a écrit :  
C’est pourquoi, l’emploi d’inducteurs pleins pour des applications à hautes fréquences présente deux inconvénients. D’une part, la proportion d’énergie transmise à la charge peut être faible (≈ 60 %). D’autre part, il faut évacuer l’énergie perdue dans les inducteurs pour ne pas risquer leur dégradation. Face à ces difficultés, une idée originale consiste à employer des inducteurs divisés, formés de brins cylindriques individuels et recouverts d’isolant. Plusieurs brins sont torsadés et forment un paquet. Plusieurs paquets sont torsadés ensemble, formant un paquet plus gros. Le processus est répété jusqu’à obtenir un câble multibrins du diamètre désiré. Un tel agencement porte le nom de fil de Litz. L’idée de base de cette conception consiste à emmêler des brins de section inférieure à l’épaisseur de peau dans le but de contrer l’effet de peau en forçant le courant à se répartir uniformément dans la section du câble.

Comme vu au dessus, un brin d'un millimetre de diametre est encore efficace en Audio. Mais... il commence à devenir rigide. Et de plus en plus au delà.
Pour des raisons de commodité mécaniques, la plupart de nos cables sont des multibrins.

Dans un faisceau multibrin, qui n'a pas été altéré par un écrasement mecanique, la surface de contact entre les brins se situe entre 10 et 15% (là par contré, désolé, je n'ai plus la référence d'ou vient l'info).
Donc 85% de la surface d'un brin, est isolée des autre par un mince filet d'air. 85% (environ, car c'est un peu plus compliqué que ça) de la surface de ces multibrins est donc utilisable et utilisée par le courant pour circuler en périphérie. De fait, comparé a un monobrin de section égale, le multibrin augmente déjà considérablement la "surface de peau", et diminue d'autant l'impedance ajoutée par l'effet de peau (de l'ordre de quelques milli-ohms pour mémoire)

Avec du litz, on passe de 85% environ, à 100%

Ici, un article (en anglais sorry), qui montre la perte dans un cable HP due à l'effet de peau. En DB pour les audiophile, les chiffres vont vous surprendre je pense:
http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scot...page2.html
(Sur ce site, dont le design fait penser a un vieux site du début 90, vous pouvez naviguer à travers d'autres pages, qui montrent les courbes de differents effets en audio. Ca a le merite de remettre certaines choses en perspectives)

(08-09-2016, 01:09 AM)Eric a écrit : Malheureusement, un nouveau phénomène apparaît alors : l’effet de proximité. Celui-ci se manifeste lorsqu’un minimum de deux fils voisins sont parcourus chacun par un courant alternatif. S’ils circulent dans le même sens, alors les deux courants ont tendance à se repousser mutuellement. Ainsi, la densité de courant n’est pas uniforme dans la section des brins : elle est faible dans la zone où les brins sont voisins et maximale à l’opposé. L’inverse se produit si les courants circulent en sens opposés : les courant s’attirent mutuellement. De nouvelles pertes apparaissent donc au sein des inducteurs multibrins, les pertes par effet de proximité. La question de l’influence de la géométrie interne d’un inducteur multibrins est donc essentielle.

Pour ce phenomène, c'est un peu plus complexe. Impossible de calculer les pertes, sans se lancer dans les grandes equations (ici pour les courageux: https://engineering.dartmouth.edu/induct...ewcalc.pdf, ou ici http://www.generalcable.co.nz/getattachm...fects.aspx).

Cependant, il faut savoir que:
- Le fil de litz utilisé en industrie est parfois composé de plusieurs milliers de fils de litz de sections differentes (un apperçu ici: http://www.litzwire.com/litz_types.htm)
- Le toronage du multibrin ou du litz diminue l'effet de proximité. Le principe et de répartir les charges le plus equitablement possible entre les brins/litz, en faisant régulièrement changer leurs positions dans le toron, du centre vers l'exterieur et vice-versa. C'est une operation difficile (impossible?) à réaliser à la main, lorsqu'on assemble quelques fils de litz, mais les cables industriels sont correctement toronés.

[maxitonus]

@jacques92= Les concepts théoriques pour expliquer pourquoi un "fil de litz" bien choisi (capacitance réduite, effet de proximité réduit, bon choix du diamètre et nombre de brins..tout celà n'est pas aussi évident que ce que certains croient), apporte un + indéniable sur la définition des aigus et extrême aigus,... ne présentent guère d'intêret.

En effet spéculer pour savoir si la baisse de résistance du fil à section égale disons à 20khz est "suffisante" ou "pas suffisante" pour JUSTIFIER un écart subjectif à l'écoute,est de la pure discussion genre palabre, car rien ne permet jamais de conclure si un phénomène "faible" est "suffisant" ou "pas suffisant pour".

Une bonne façon de conclure est d'essayer.

Les essais bien menés avec les précautions ESSENTIELLES que j'ai citées sont: sans appel.
Bien sur, comme toujours, tu peux et d'autres aussi contester "mes oreilles" sur ce jugement "sans appel".
Mais ça n'amènera pas plus loin la discussion.

Quand on me demande "comment expliques tu l'amélioration apportée par l'utilisation de fil de litz bien conçu (ne présentant pas les défauts très fréquents de comporter beaucoup trop de brins et de réaliser une capacitance beaucoup trop élevée de par sa configuration géométrique) dans les aigus et extreme-aigus?, je réponds:
"Tout à fait bébète:1/ ce fil a une surface extérieure considérablement plus grande que tout autre fil de même section, ce qui est très favorable au spectre de fréquences élevées, 2/et de plus il présente l'énorme avantage de ne présenter aucuns faux contacts entre brins adjacents , contrairement à tous les fils multibrins de même section"

[Bkg2k]

Je comprends ta philosophie Maxi, mais je ne peux pas être d'accord.

Accepter un fait sans chercher à en comprendre au minimum les bases, c'est un comme admettre qu'il existe un Dieu Audiophile dont les voies sont impénétrables
J'imagine que la démarche de jacques est assez similaire.

Après, ça ne veut pas dire que je conteste l'existance de ce fait! Juste que je vais chercher à comprendre. Peut-être que je n'y arriverai pas, mais je vais essayer, en explorant toutes les pistes à ma portée, et en les eliminants jusqu'à trouver la bonne.

Pour le Litz, j'élimine l'effet de peau. Mais il reste bien d'autres pistes. En commançant par son isolant (même s'il ne plait pas à Nathalie), l'écartement intrinseque des conducteurs entre eux, et possiblement, comme tu l'as dit, l'absense de contact non-francs entre les brins

[Eric]

Bien BK, c'était pour relancer un peu le débat. 

(08-09-2016, 10:33 AM)Bkg2k a écrit : Prenons la frequence audio maximum courament admise, soit 20kHz.
En applicant le calcul de la profondeur de la peau à cette frequence, on trouve 0.46mm. Appliquée a un conducteur cylindrique, ça nous donne 0.92mm de diametre maximum, sans perte de cuivre.

63% du courant circule entre la periphérie et la profondeur de peau, le reste continue à circuler en profondeur. Si on extrapole a peine un peu, on peut garder en teêe comme référence qu'un conducteur d'1mm de diametre ne soufrira pas (ou extremement peu) de l'effet de peau dans la bande Audio.

Ah mais tout à fait.
Il existe d'ailleurs de nombreux câbles mono brin de 1mm de diamètre et il ne me semble pas qu'ils ne fassent pas d'aigu.
Mais après, et c'est là ou l'empirique est d'un grand secours, il y a aigus et aigus.
Il y a le niveau, la définition, la transparence, la fluidité etc....

Moi ce que je retiens sur cette histoire de Litz, plutôt qu'une histoire d'effet de peau, c'est qu'il a l'avantage de répartir avec homogénéité le courant dans la section et de faire en sorte que chaque brin soit soumis à un moment ou à un autre au champ magnétique.

(08-09-2016, 10:33 AM)Bkg2k a écrit : Dans un faisceau multibrin, qui n'a pas été altéré par un écrasement mecanique, la surface de contact entre les brins se situe entre 10 et 15% (là par contré, désolé, je n'ai plus la référence d'ou vient l'info).
Donc 85% de la surface d'un brin, est isolée des autre par un mince filet d'air. 85% (environ, car c'est un peu plus compliqué que ça) de la surface de ces multibrins est donc utilisable et utilisée par le courant pour circuler en périphérie. De fait, comparé a un monobrin de section égale, le multibrin augmente déjà considérablement la "surface de peau", et diminue d'autant l'impedance ajoutée par l'effet de peau (de l'ordre de quelques milli-ohms pour mémoire)

Avec du litz, on passe de 85% environ, à 100%

On est d'accord.
Et cela prouve aussi l'intérêt du multi brins.
Certes on perd 15% mais on diminue l'effet de proximité, rendant le cable moins sensible aux " vibrations ".

(08-09-2016, 10:33 AM)Bkg2k a écrit : Pour ce phenomène, c'est un peu plus complexe. Impossible de calculer les pertes, sans se lancer dans les grandes equations (ici pour les courageux: https://engineering.dartmouth.edu/induct...ewcalc.pdf, ou ici http://www.generalcable.co.nz/getattachm...fects.aspx).

Cependant, il faut savoir que:
- Le fil de litz utilisé en industrie est parfois composé de plusieurs milliers de fils de litz de sections differentes (un apperçu ici: http://www.litzwire.com/litz_types.htm)
- Le toronage du multibrin ou du litz diminue l'effet de proximité. Le principe et de répartir les charges le plus equitablement possible entre les brins/litz, en faisant régulièrement changer leurs positions dans le toron, du centre vers l'exterieur et vice-versa. C'est une operation difficile (impossible?) à réaliser à la main, lorsqu'on assemble quelques fils de litz, mais les cables industriels sont correctement toronés.

Ben même pas en fait !
Le Litz parfait n'existe pas.
Voir cette thèse sur le sujet :

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01104637/document

Quand à ton lien : http://www.litzwire.com/litz_types.htm) , il est très intéressant.
Si l'on fouille un peu, on se rend compte qu'il existe des tableaux ou sont repris le nombre de brins et leur diamètre en fonction de la bande de fréquence à reproduire.
Et là les idées reçues de certains tombent !

On peut se rendre compte, par exemple, que les brins de 0.12 mm de diamètre servent à couvrir la bande de 20 Khz à 50 Khz.
En fait Maxi, avec ses 0.05, il va presque chercher le Méga Hertz 

[Bkg2k]

(08-09-2016, 11:26 AM)Eric a écrit : Ben même pas en fait !
Le Litz parfait n'existe pas.
Voir cette thèse sur le sujet :

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01104637/document

Interessant ton lien, j'ai ma lecture pour ce soir

(08-09-2016, 11:26 AM)Eric a écrit : Quand à ton lien : http://www.litzwire.com/litz_types.htm) , il est très intéressant.
Si l'on fouille un peu, on se rend compte qu'il existe des tableaux ou sont repris le nombre de brins et leur diamètre en fonction de la bande de fréquence à reproduire.
Et là les idées reçues de certains tombent !

On peut se rendre compte, par exemple, que les brins de 0.12 mm de diamètre servent à couvrir la bande de 20 Khz à 50 Khz.
En fait Maxi, avec ses 0.05, il va presque chercher le Méga Hertz 

Oui! Par contre, c'est un lien a garder sous le coude, pour ceux qui voudraient s'essayer au DIY de cable numeriques, ou là, on joue plus du tout avec les memes frequences.
En USB audio, les frequences réellent qui traversent le cable, vont de 60 à 480Mhz. Même si ces cables ne transportent pas de puissance, ce sont des pistes potentielles.

[Musicalbox]

(08-09-2016, 11:24 AM)Bkg2k a écrit : Je comprends ta philosophie Maxi, mais je ne peux pas être d'accord.

Accepter un fait sans chercher à en comprendre au minimum les bases, c'est un comme admettre qu'il existe un Dieu Audiophile dont les voies sont impénétrables
J'imagine que la démarche de jacques est assez similaire.

Après, ça ne veut pas dire que je conteste l'existance de ce fait! Juste que je vais chercher à comprendre. Peut-être que je n'y arriverai pas, mais je vais essayer, en explorant toutes les pistes à ma portée, et en les eliminants jusqu'à trouver la bonne.

Pour le Litz, j'élimine l'effet de peau. Mais il reste bien d'autres pistes. En commançant par son isolant (même s'il ne plait pas à Nathalie), l'écartement intrinseque des conducteurs entre eux, et possiblement, comme tu l'as dit, l'absense de contact non-francs entre les brins

Oui mais sauf qu'il faut bien admettre qu'on n'a pas encore toit compris. Pas à 100%. 

Dnc qu'est-ce que tu fais, ce qui s'entend mais que tu ne peux pas expliquer tu decides que ça n'existe pas ? 
ou bien tu reconnais que ça existe, tu t'en sers, allègrement parce que ça marche, tu le manipules, et puis tu te dis que pour l'explication eh buen ce sera pour plus tard.

Pour ce qui est de l'émail il est impossible de faire autrement, et il est probablement compensé par l'apport de cette géométrie.

[Eric]

(08-09-2016, 12:23 PM)Nathalie a écrit : Pour ce qui est de l'émail il est impossible de faire autrement, et il est probablement compensé par l'apport de cette géométrie.

Dans les grandes lignes, je suis bien d'accord avec toi sur ce constat empirique de l'émail.
Il " bouche " le son mais tasse aussi la scène sonore.
Et selon la qualité et l'épaisseur de l'email, le phénomène peut empirer.

Apres, dans les transfos, je pense que l'on ne peut pas trop s'en passer, peut importe ses défauts.
Il permet une très forte isolation avec une fine épaisseur et résiste très bien à la chaleur.
Un peu l'isolant idéal pour ce genre d'application.

Des transfos à bain d'huile pourrait donner autre chose je pense comme rendu sonore.
Mais est ce que cela existe pour l'audio ?
Est ce qu'il existe d'autres types de transfos pour l'audio ?
Je n'en sais rien du tout....

[FS31]

(08-09-2016, 12:47 PM)Eric a écrit : Dans les grandes lignes, je suis bien d'accord avec toi sur ce constat empirique de l'émail.
Il " bouche " le son mais tasse aussi la scène sonore.
Et selon la qualité et l'épaisseur de l'email, le phénomène peut empirer.

Vous pourriez m'expliquer, là ....