Scénarios d'écoconception dans le moteur de haut-parleur

Scientific Reports volume 12, Numéro d’article: 19493 (2022) Citer cet article

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Le marché mondial des haut-parleurs suit la tendance croissante des technologies de divertissement électronique à la fois en quantité et en variété. Par conséquent, les impacts environnementaux causés au cours du cycle de vie des haut-parleurs augmentent dans la même proportion, allant dans la direction opposée à ce qui est déterminé par les lois et réglementations environnementales mondiales et les tendances du marché mondial. Malgré cela, la performance environnementale de ce type de produit n’est pas prise en compte dans le processus décisionnel pour les mises à jour technologiques dans la conception des haut-parleurs. En ce sens, l’écoconception est l’outil d’ingénierie du cycle de vie le plus adéquat appliqué dans la conception d’un produit puisque la performance environnementale est prise en compte tout au long des différentes étapes de conception. Cependant, la faisabilité de l’écoconception dans les produits nécessitant des chaînes de production complexes repose sur la division du produit en sous-systèmes et composants. Ainsi, le présent travail se concentre sur l’évaluation de la performance environnementale d’un moteur de haut-parleur classique, composé d’un aimant, d’une bobine et d’un formeur de bobine. Huit scénarios de substitution de matières premières sont proposés et analysés, ce qui a permis d’identifier la proposition avec la meilleure performance environnementale parmi les technologies actuelles. Il s’agit d’une première étape vers l’écoconception complète d’un haut-parleur et fixe la procédure à suivre avec les autres éléments constitutifs.

Le taux de croissance annuel composé (TCAC) du marché mondial des haut-parleurs augmente et devrait croître à un taux de 7,3% jusqu’en 2028 (FMI, 2018). De ce montant, l’Amérique du Nord et l’Asie du Sud-Est détiennent 40% de part de marché. Par conséquent, à moins que les aspects environnementaux ne soient pris en compte lors de la conception de ce produit, ses impacts environnementaux augmenteront inexorablement1,2. Cette tendance contredit les objectifs de développement durable (ODD) de l’Agenda 21 des Nations Unies (ONU) et de l’économie circulaire, qui est le modèle actuel de l’économie mondiale3.

L’objectif de la plupart des organisations est de satisfaire les besoins implicites du client, et il est nécessaire de restructurer le produit afin de maintenir et de façonner la relation existante entre le fabricant et l’utilisateur final. La durabilité est l’équilibre ou l’intégration des questions environnementales, sociales et économiques; en 1987, la Commission mondiale sur l’environnement et le développement (CMED) l’a défini comme un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs4. Dans ce contexte, il existe plusieurs lois et réglementations dans le monde qui encouragent l’adéquation des entreprises aux principes de l’économie circulaire. Par exemple, aux États-Unis d’Amérique, des lois et règlements sont prévus pour la Loi sur la conservation et la récupération des ressources (RCRA)5. La législation européenne compte avec la Restriction de certaines substances dangereuses (RoHs)6, qui limite l’utilisation de certaines substances dans les processus de fabrication des produits, et les Déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE)7 qui impose des obligations aux organisations, contenant les règles applicables aux déchets électroniques. D’une manière générale, cette directive encourage et définit des critères spécifiques pour la collecte, la manipulation et le recyclage des déchets électriques et électroniques1,4. Au Brésil, par exemple, la loi n° 12.305/108, qui institue la politique nationale des déchets solides (PNRS), prévoit la prévention et la réduction de la production de déchets, une proposition pour la pratique d’habitudes de consommation durables et un ensemble d’instruments pour accroître le recyclage et la réutilisation des déchets solides.

En outre, certaines normes ont été proposées pour encourager l’adaptation des organisations au contexte de l’amélioration des aspects environnementaux liés à leurs activités. Quelques exemples remarquables au sein de la famille ISO 14000 sont ISO 14001, qui fournit des lignes directrices pour un système de management environnemental, ISO 14040 (2009)9 et ISO 14044 (2009)10 qui envisagent des pratiques pour l’analyse du cycle de vie (ACV) des produits, et ISO 14006 (2020)11, qui traite de la mise en œuvre de l’écoconception ou de la conception pour l’environnement. Ces normes comprennent des plans pour les processus décisionnels qui contribuent à la prévention des impacts environnementaux tels que la contamination du sol, de l’eau et de l’air9,10.

En ce qui concerne la conception des produits, en considérant la perspective du cycle de vie global, l’écoconception se distingue comme l’une des principales techniques pour le secteur productif à la recherche de l’économie circulaire12,13. Cependant, dans les produits avec des chaînes de fabrication complexes déjà établies sur le marché, tels que les haut-parleurs de boîtier, les changements dans l’ensemble de la conception du produit sont difficiles à appliquer dans la pratique, car ils exigent des coûts complexes et des évaluations longues. Ainsi, la stratification du produit (système) en sous-systèmes et composants peut être une base réalisable pour appliquer l’écoconception dans ce type de produit. En outre, l’approche mentionnée ci-dessus peut encore être améliorée avec une application antérieure de l’ACV pour identifier les points chauds environnementaux et classer les priorités pour l’application des changements dans la conception du produit visant l’écoconception13.

L’ACV s’applique également aux processus décisionnels lors de la phase d’ingénierie du produit, en proposant l’utilisation de matériaux moins agressifs pour l’environnement et en rationalisant et optimisant l’utilisation de l’énergie et des matières premières. De plus, sur la base des résultats de l’ACV, les ingénieurs peuvent concevoir des produits ayant une durée de vie utile prolongée, facilitant leur démontage pour l’utilisation de leurs composants et permettant le recyclage de leurs matériaux14.

En gestion des opérations, l’ACV peut contribuer à définir le choix des ressources de production, en plus de la façon dont les activités liées à la fabrication du produit ou à la prestation de services seront intégrées. Sur la base des résultats de l’ACV, la planification de l’utilisation des ressources, des besoins en matériaux, du développement de produits et du contrôle de la production est préparée plus efficacement. Par conséquent, il est important de noter que l’ACV ne se limite pas à modifier la conception des produits, mais qu’elle s’étend à leurs processus de production. Si un processus n’est pas évalué positivement du point de vue de la durabilité, par exemple parce qu’il exige un grand nombre de matériaux ou d’énergie ou en raison de la production de déchets excédentaires, ce processus devrait faire l’objet d’études et d’améliorations14.

Le respect des lois environnementales n’est pas seulement une question d’obligation. La réputation d’une organisation est fortement liée à la façon dont elle traite les aspects environnementaux de ses produits, services et processus. Une organisation doit avoir une bonne réputation non seulement pour consolider son image, mais aussi pour profiter des occasions d’affaires puisque de nombreuses entreprises exigent de leurs partenaires qu’ils possèdent des certifications qui prouvent leur conformité aux normes environnementales15. L’ACV des produits permet de trouver d’autres sources de matières premières et d’énergie, de développer des procédés nécessitant moins d’intrants et générant moins de déchets, d’identifier la possibilité de réutiliser des sous-produits ou des parties du produit fini et de donner une destination adéquate au produit après son élimination par le consommateur.

Idéalement, le consommateur devrait entendre un son comme celui prévu par celui qui l’a enregistré. Dans ce but, les meilleures enceintes acoustiques recréent le son le plus proche possible de l’original. L’une des mesures de performance les plus importantes et les plus informatives est la réponse en fréquence du haut-parleur. La réponse en fréquence peut être divisée en amplitude et phase, qui décrivent ensemble complètement le comportement linéaire du système16,17. L’objectif principal est d’obtenir un haut-parleur capable de reproduire avec précision les fréquences de l’ensemble du spectre auditif humain. De cette façon, plus l’amplitude et la réponse de phase sur toute la bande passante de l’opération sont uniformes, meilleure est la qualité du haut-parleur. Dans un graphique de réponse en fréquence, il est souhaitable de voir une ligne droite plutôt qu’une ligne avec des pics et des creux. Étant donné un signal idéal provenant d’un amplificateur et d’une source audio idéaux, les variations de la réponse en fréquence plate peuvent souvent être attribuées à ses processus de construction et aux matériaux utilisés, qui peuvent varier considérablement. Par exemple, le cône de propagation (un composant de haut-parleur) peut être fait de papier, d’aluminium (Al), de polypropylène ou de polymère fibre de verre / céramique.

En ce qui concerne leur principe de fonctionnement, la plupart des haut-parleurs fonctionnent de la même manière: à l’arrière du haut-parleur, généralement, un aimant circulaire est maintenu fermement en place avec un cadre rigide. Une bobine est placée autour de l’aimant. Cependant, contrairement à l’aimant, la bobine est attachée à une pièce mobile; comme le haut-parleur est alimenté avec une tension, les changements dans le champ électrique provoquent le déplacement d’une bobine de cuivre (Cu) à l’intérieur de l’aimant. Attaché à cela, il y a une membrane, généralement en papier ou en plastique, qui se déplace d’avant en arrière, déplaçant l’air, créant ainsi des ondes sonores. Lorsqu’un courant électrique circule dans une direction, la membrane s’éloigne de l’aimant, et lorsqu’elle circule dans l’autre sens, la membrane se rapproche. Le flux de courant est modifié d’un côté à l’autre, correspondant à la fréquence induite. Pour les basses fréquences, cela peut être quelques dizaines de fois par seconde. Pour les hautes fréquences, cela se produit jusqu’à 20 000 fois ou plus par seconde. La taille d’un haut-parleur affecte la gamme de fréquences audio qu’il peut produire, de sorte qu’un haut-parleur plus grand peut déplacer plus d’air, mais pas rapidement, ce qui le rend meilleur pour produire des fréquences plus basses. Un haut-parleur plus petit ne déplace pas autant d’air et, par conséquent, peut se déplacer beaucoup plus rapidement, ce qui permet de produire des fréquences plus élevées16.

L’importance de l’écoconception dans les projets de produits, tels que le haut-parleur, et l’application de l’ACV dans les sous-systèmes ou composants du produit, par exemple dans son moteur, est évidente. Cependant, à notre connaissance, aucun rapport de résultats empiriques ayant évalué et identifié les impacts environnementaux sur le cycle de vie du moteur du haut-parleur pour l’application future de l’écoconception dans ce produit ne peut être trouvé dans la littérature. En effet, une étude de la littérature révèle que la plupart des études se limitent à évaluer, empiriquement ou théoriquement, les effets de la pollution sonore sur les personnes, comme on peut le voir dans18,19,20. Ces études sont appliquées à la phase d’utilisation des haut-parleurs, avec le biais acoustique pour améliorer la conception du produit. Quelques exceptions sont21,22, où les auteurs ont évalué les impacts environnementaux de l’aimant néodyme, en comparant les impacts environnementaux de l’aimant vierge avec l’aimant recyclé. Les auteurs ont conclu que l’aimant en néodyme recyclé a un potentiel d’impacts environnementaux inférieur à celui de l’aimant vierge. En particulier21, met en évidence les catégories suivantes: réchauffement climatique; Acidification; toxicité cancérogène pour l’homme; Toxicité humaine non cancérogène; la santé humaine les particules de l’air; Eutrophisation; Appauvrissement de la couche d’ozone; Écotoxicité; et le smog.

Pour réaliser une écoconception d’un haut-parleur, nous avons adopté une approche diviser pour mieux régner, stratifiant l’ensemble du produit en sous-systèmes plus petits. En particulier, nous nous sommes concentrés sur le moteur du haut-parleur. Une fois l’objet de l’étude délimité, l’ACV est appliquée aux différents scénarios proposés, visant à soutenir le processus décisionnel en matière d’ingénierie et à optimiser les ressources pour permettre la pratique de l’écoconception dans ce secteur productif.

Ainsi, la présente recherche propose des alternatives d’écoconception pour les moteurs de haut-parleurs basées sur la performance environnementale de scénarios évalués empiriquement par LCA. Les scénarios ont été générés en tenant compte de différentes combinaisons de composants déjà utilisés sur le marché actuel des moteurs de haut-parleurs.

Les présents travaux seront utiles pour soutenir le processus décisionnel lors de l’ingénierie des haut-parleurs et combleront une lacune dans la littérature scientifique sur le sujet. Après cette introduction, l’article est structuré comme suit: Dans la section « Méthodes », la méthode de recherche utilisée est expliquée. Les résultats obtenus, y compris les scénarios générés, sont présentés et discutés dans la section « Résultats et discussions ». Enfin, les conclusions sont tirées dans la section « Conclusion ».

Les haut-parleurs sont conçus et fabriqués avec des aimants permanents depuis plus de 50 ans23. La première évolution s’est produite lorsque l’aimant moteur a été remplacé par un Alnico (aluminium/nickel/cobalt). Par conséquent, ces haut-parleurs étaient encore assez longs et complexes et pesaient des appareils. Le premier tournant a été de diminuer en hauteur et en taille. Ainsi, il utilise des aimants en ferrite dure24. Les conceptions avec des aimants en ferrite sont inefficaces car il y a beaucoup de fuites de flux. D’autre part, les aimants en ferrite présentent des avantages économiques en raison de leur prix sur le marché. Mais, le fer dans de tels moteurs conduit à plusieurs types de non-linéarités. Il s’agit, par exemple, de la saturation magnétique du fer et de la variation de l’inductance de la bobine avec sa position, provoquant un effet réticent25. L’apparition des aimants permanents en néodyme est la dernière étape liée aux progrès des matériaux à aimants permanents. Avec de tels aimants permanents avec composé ND, la taille et le poids du moteur à trou ont considérablement diminué26. De cette façon, la modification de l’aimant permanent avec un aimant plus petit et léger est nécessaire pour une nouvelle conception de l’ensemble du moteur du haut-parleur (bobine et formeur de bobine), permettant d’utiliser de nouveaux matériaux et même des biomatériaux. Les changements dans les performances du moteur sont également dus aux tolérances mécaniques des composants, leur influence est importante à vérifier pour garantir la répétabilité pendant la production et les performances élevées du produit27. En raison de la chaîne de production complexe du produit, comprenant plusieurs unités de production dans différentes parties du globe, l’objet de cette recherche a été délimité au moteur du haut-parleur, mis en évidence dans la Fig. 1, qui est l’une des parties les plus critiques et différentielles d’un haut-parleur.

Dessin de structure d’un haut-parleur conventionnel mettant en évidence chaque composant et zoomant sur son ensemble moteur.

Il existe de nombreux modèles de moteurs de haut-parleurs largement utilisés sur le marché qui ont des fonctionnalités et des caractéristiques similaires. Nous pouvons diviser grossièrement le moteur en trois parties constitutives principales, c’est-à-dire l’aimant, le formeur de bobine et la bobine, qui peut être construite en utilisant différents matériaux. Le tableau 1 énumère une configuration possible par rapport au scénario de référence, dénommée à partir de maintenant « Produit réel », et présente sept autres scénarios en tant que propositions d’écoconception. Par souci de confiance dans l’information du fabricant, le nom et la description du modèle de haut-parleur ont été gardés confidentiels, considérant dans cet article comme le produit réel. La configuration du produit réel a été adoptée comme scénario de base car il s’agit de la structure la plus utilisée sur le marché pour les moteurs de haut-parleurs.

Ainsi, l’ACV a été appliquée à chaque combinaison possible des composants des modèles de moteurs, avec des systèmes de produit du berceau à la porte, comme le montre la Fig. 2.

Diagramme en niveaux de gris avec trois colonnes/étapes avec des flèches signalant les entrées et sorties du flux de matériaux, composants et processus dans la production d’un haut-parleur conventionnel.

Dans la Fig. 2, il existe des composants différents de ceux décrits dans le tableau 1 car, dans le système de produits, les autres composants possibles ont également été pris en compte pour les combinaisons afin de générer les scénarios d’écoconception.

L’acquisition de matériel comprend le transport et le déplacement des principales matières premières du haut-parleur. La plupart des matériaux, tels que l’aluminium et le cuivre, par exemple, sont fournis par des entreprises régionales. Cependant, dans le cas de Nd, la majeure partie de son extraction est concentrée en Chine4,28 et expédiée au Brésil par transport maritime. Étant donné que le transport des matières est à l’origine d’une plus petite partie des émissions globales du cycle de vie des produits, il faut en tenir compte dans l’analyse. L’objectif de l’ACV est d’évaluer les impacts environnementaux de 8 scénarios possibles dans la conception des haut-parleurs, en ayant comme référence de comparaison un projet largement utilisé sur le marché, intitulé dans cet article comme le produit réel (scénario de base), présenté dans le tableau 1. Les scénarios (projets d’écoconception) étudiés ont des fonctionnalités approximatives et peuvent être considérés comme équivalents à la standardisation d’une unité fonctionnelle entre eux. Pour effectuer l’ACV, l’unité fonctionnelle de 1 moteur de haut-parleur (produit réel) de 960,927g a été adoptée. Et le flux de référence pour ce produit est la production de 960,927 g répartis entre leurs trois composants, considérés comme le produit fini.

Les phases d’ACV ont été réalisées selon ISO 14040 (2009)9 et ISO 14044 (2009)10, à l’aide du logiciel GaBi Student. L’inventaire du cycle de vie (ICL), en tant que deuxième phase, a été recueilli à partir de fiches techniques de haut-parleurs. Il s’agit d’une méthode secondaire de collecte de données29. Dans la séquence, la phase suivante de l’ACV est l’analyse d’impact sur le cycle de vie (ACIV). Grâce à la modélisation, des données provenant de quatre méthodologies ont été obtenues. Néanmoins, l’analyse se concentrera sur TRACI 2.1, car il contient des indicateurs principalement axés sur la zone industrielle de l’Amérique du Nord et, par conséquent, sont plus adaptés à la région d’intérêt, c’est-à-dire le Brésil, que les autres méthodologies, qui sont plus orientées vers l’Europe. Les catégories les plus pertinentes pour le scénario d’extraction des matières premières et de production de haut-parleurs de la méthodologie TRACI 2.1 seront illustrées ci-dessous30. Ainsi, dans le même sens, la normalisation interne et externe a été réalisée selon la méthodologie TRACI 2.1, en tenant compte du contexte nord-américain. La normalisation interne a été effectuée dans le même scénario, où l’impact total dans chaque catégorie d’impact environnemental a été évalué et le potentiel relatif de chaque composant du moteur du haut-parleur pour toutes les catégories a été calculé. La normalisation externe a été effectuée selon :

où:

NFi est le facteur de normalisation (impact capita\(^{-1}\) année\(^{-1}\)) pour la catégorie d’impact i;

CFi,s est le facteur de caractérisation (kg d’impact\(^{-1}\) émis d’une substance donnée s pour la catégorie d’impact i;

Es est les émissions de substances pour une zone de référence géographique donnée (kg année\(^{-1}\)). Dans cette étude, nous avons utilisé les populations des États-Unis et de l’AC ; et

P est la population humaine de la zone de référence (habitant).

Pour plus de détails sur la méthodologie de normalisation, le lecteur est prié31,32.

Dans cette section, nous présentons d’abord une brève description des impacts environnementaux potentiels énumérés dans le tableau 2. Les résultats de l’ICV sont présentés dans le matériel supplémentaire. Par la suite, une normalisation interne a été effectuée, montrant les potentiels relatifs de chaque composant du moteur du haut-parleur pour chaque catégorie d’impact environnemental. Ensuite, une analyse de sensibilité a été réalisée, générant des scénarios qui représentent des options pour l’écoconception du moteur de haut-parleur, ainsi qu’une normalisation externe, en tenant compte de l’impact total par catégorie en Amérique du Nord, qui couvre les pays les plus représentatifs du marché des haut-parleurs, en plus d’être les pays qui font partie de la méthode LCIA TRACI 2.1.

Pour présenter les résultats dans le tableau 2, il est d’abord nécessaire d’expliquer les causes et les effets des catégories d’impact environnemental identifiées qui seront d’abord résumées dans un contexte général. Ensuite, les causes de ces impacts environnementaux seront analysées dans le contexte du moteur du haut-parleur.

Selon 33, le réchauffement climatique est principalement causé par la combustion de combustibles fossiles, lorsque les substances résultant de la combustion sont absorbées par le rayonnement infrarouge et se stabilisent dans l’atmosphère (GIEC, 2007). Cette catégorie d’impact est responsable du réchauffement accéléré et du changement soudain de température sur la planète.

L’acidification est généralement causée par l’émission de polluants gazeux, solides ou liquides, atteignant l’air, l’eau et le sol, résultant principalement des activités et de la combustion dans les processus de production d’énergie, qu’ils soient électriques ou thermiques. Dans ce cas, les polluants introduisent ou libèrent des ions hydrogène dans l’environnement, et les anions (qui accompagnent les ions hydrogène) sont lessivés ou éliminés du système33.

L’eutrophisation représente une quantité excessive de nutriments dans un milieu. Les principaux nutriments sont à base d’azote, de phosphore et de potassium. Selon 33, l’eutrophisation peut être causée surtout par des émissions dans l’air (p. ex., oxydes d’azote provenant des processus de combustion), dans l’eau (p. ex., l’azote dans le milieu aquatique provenant de l’utilisation d’engrais en agriculture) et dans et au-dessus du sol (p. ex., les émissions de phosphore qui s’infiltrent dans le sol à partir de sources agricoles).

L’appauvrissement de la couche d’ozone est causé en particulier par les émissions anthropiques d’halocarbures et de gaz à des températures atmosphériques normales, tels que les substances réfrigérantes, les solvants et les agents moussants contenant du chlore ou du brome. En particulier, les substances réfrigérantes sont particulièrement nocives car elles sont encore couramment utilisées dans les cycles de chaleur pour une efficacité accrue, une transition de phase réversible du liquide aux gaz33.

Selon 33, l’écotoxicité est causée par l’émission de substances toxiques dans la biosphère qui affecte les espèces de la flore et de la faune, provoquant une toxicité chez leurs espèces, qui peuvent être bioaccumulables. L’écotoxicité est quantifiée dans les unités toxiques comparatives d’écotoxicité (UTC).

La santé humaine particulaire de l’air est associée à des microparticules causant des problèmes de santé. Les microparticules ont moins de 10 micromètres de diamètre et peuvent pénétrer profondément dans les poumons, et certaines peuvent même pénétrer dans la circulation sanguine. Par conséquent, ces particules peuvent affecter les poumons et le cœur humains. Les personnes atteintes de maladies cardiaques ou pulmonaires, les enfants et les personnes âgées sont les plus susceptibles d’être touchés par l’exposition à la pollution par les particules33.

Mesuré en unité de toxicité comparative pour l’homme (CTUh). La toxicité humaine peut être divisée en deux catégories principales selon qu’elle est susceptible de causer le cancer ou non. La première toxicité humaine est induite par des substances chimiques émises qui sont ingérées ou inhalées par les humains, et ces substances peuvent causer le cancer. La toxicité pour l’homme, non cancérogène, est également causée par l’ingestion ou l’inhalation de substances chimiques émises dans l’environnement par les activités humaines, mais qui causent d’autres dommages aux êtres humains, à l’exception du cancer29.

Enfin, selon 29, il y a la formation d’ozone troposphérique, également appelée formation de smog ou simplement smog comme utilisé dans cet article. Au niveau du sol, pour l’ozone, la même réaction chimique se produit entre les oxydes d’azote (NOx) et les composés organiques volatils (COV) en présence de la lumière du soleil. Ces gaz sont principalement générés par les services publics d’électricité, les installations industrielles et les moteurs à combustion. Le smog provoque diverses maladies respiratoires, telles que la bronchite, l’asthme et l’emphysème. Les impacts écologiques comprennent l’épuisement des mêmes écosystèmes5.

La chaîne de production du moteur du haut-parleur est composée de la production d’aimants, de la production de bobines et de la production d’anciens bobines. Les principaux aspects environnementaux de ces processus et leurs principaux impacts environnementaux seront présentés et discutés ci-dessous.

La plus grande émission contribuant à la catégorie du réchauffement climatique est l’équivalent CO2 fourni par l’étape de production de la matière première à base de ferrite utilisée pour produire l’aimant. En outre, l’émission la plus importante affectant la toxicité humaine (agents cancérogènes) était l’arsenic (As) dans l’air, l’impact le plus important provenant également de l’incinération et de l’élimination des déchets solides. Pour les agents non cancérogènes, l’agent responsable de la toxicité humaine, l’eau contaminée au plomb, a eu le plus grand impact sur les émissions. En ce qui concerne les effets respiratoires, le plus grand contributeur a été le processus d’enrichissement pour fabriquer l’aimant en ferrite. Dans la catégorie Eutrophisation, l’émission qui a eu le plus d’impact résulte du phosphate distribué dans l’eau et de l’épuisement de l’O3 ou du CH4 présents dans l’air. Dans la littérature, on constate que la combustion de combustibles fossiles dans les fours industriels était le plus grand contributeur à la formation photochimique de la pollution atmosphérique (smog)21,22.

Pour qu’un haut-parleur en ferrite produise la même efficacité que le néodyme, il faut environ quatre fois la masse de ferrite (pour avoir le même flux magnétique)22. Dans cette analyse, le néodyme était le matériau qui contribuait le moins négativement, car toutes les catégories étaient en moyenne 25% plus petites que la ferrite. Il convient de noter que Nd (aimant utilisé dans les haut-parleurs haute performance) a une extraction et une production primaire concentrées en Chine depuis 1994, la demande pour ses applications augmentant depuis 1990 pour les matériaux vierges et recyclés. L’utilisation d’aimants en néodyme sur le marché mondial représente 6,2%, tandis que la plus grande utilisation est pour les moteurs électriques avec 34%22.

Après la ferrite, l’aluminium prédomine dans la plupart des catégories d’impact environnemental du moteur de haut-parleur. Les données présentées au tableau 2 reflètent clairement la différence dans les impacts environnementaux du traitement du minerai, compte tenu de l’extraction, de la séparation et de la concentration des minéraux souhaités. Dans la catégorie du réchauffement climatique, les émissions de CO2 se produisent principalement par la combustion de combustibles fossiles, ce qui, dans le cas de l’aluminium, après broyage par des tracteurs et des excavatrices au stade de l’extraction de la bauxite, nécessite divers processus industriels avec des machines de séparation, le lavage (grandes quantités d’eau), le broyage et l’élimination des résidus séparés de la bauxite lavée. En analysant l’inventaire d’aluminium dans Supplementary Material, les quantités d’émissions de substances organiques dans l’air et l’eau, nous pouvons observer qu’il présente des valeurs deux fois supérieures au cuivre. En ce qui concerne le cuivre, la seule valeur aberrante et supérieure à celle de l’aluminium était dans la catégorie de l’écotoxicité, ce qui peut s’expliquer par la quantité élevée d’émissions de particules et de métaux lourds dans l’air. Cette différence peut être attribuée aux différents processus chimiques impliqués dans la production d’aluminium. Ainsi, dans les haut-parleurs, le choix du cuivre améliore les performances d’un point de vue environnemental. Cependant, par rapport à la densité du matériau, l’aluminium est préférable car une caractéristique souhaitable de la bobine est d’être légère afin de ne pas influencer le déplacement de l’ensemble et, par conséquent, la qualité acoustique.

Dans 30, les résultats de l’application de l’ACV à la production d’anciens bobines sont décrits par34, en comparant les impacts du cycle de vie de la forme de bobines d’aluminium et de cuivre. Pour la forme de bobine, le processus d’extraction de la bauxite passe par le même processus décrit dans la production de bobine d’aluminium, différenciant dans l’étape finale dans laquelle les feuilles d’aluminium sont formées et non billette comme celle destinée à la bobine. Les grades d’impact de la fibre de verre étaient meilleurs que ceux de l’aluminium. Son processus de fabrication est plus simple que l’aluminium, utilisant de plus petites quantités de minéraux dans sa composition et nécessitant moins de machines. Dans le cas des minéraux, nous pouvons voir dans l’inventaire dans Supplementary Material que la présence de colémanite (Ca2B6O11.5H2O) et de dolomite (CaMg(CO3)2) est loin d’être négligeable. La valeur d’appauvrissement de la couche d’O3 pour les deux matériaux était négative, cette valeur indique que l’alternative analysée a donné des résultats positifs pour la catégorie d’impact, et la recherche de la cause fondamentale de cet écart ne fait pas partie de la portée de l’étude, mais elle peut être indiquée pour une étude approfondie future. L’utilisation de la fibre de verre dans les haut-parleurs devient intéressante tant en termes d’environnement que de performance puisque la fibre de verre a une meilleure rigidité et température de fonctionnement (avant déformation) que l’aluminium. La figure 3 montre les contributions relatives des impacts environnementaux de chaque composante du scénario 1 du moteur du haut-parleur en fonction de chaque catégorie d’impact environnemental évaluée. Il est important de mentionner que le scénario 1 est le plus courant dans l’industrie des haut-parleurs, il a donc été considéré comme un scénario de base pour comparer les autres scénarios présentés dans les tableaux 1 et 3.

Graphique à barres avec deux axes et les trois matériaux représentant la contribution relative en pourcentage par catégorie d’impact par catégorie, mettant en évidence la catégorie de bobine d’aluminium HTC avec le pourcentage le plus élevé.

Si l’on considère la ferrite comme un matériau de composant magnétique, ce composant prédomine dans toutes les catégories d’impacts environnementaux, et il n’est pas possible d’identifier les contributions des impacts environnementaux potentiels d’autres composants et matériaux dans le moteur du haut-parleur. Ainsi, la prémisse est que visant la meilleure performance environnementale pour ce produit, la ferrite devrait être remplacée par le néodyme dans tous les scénarios. Ainsi, les scénarios 3, 5 et 7 qui contiennent de la ferrite ont été exclus. Seul le scénario 1, qui contient également de la ferrite, a été conservé, raison pour laquelle il a été adopté comme scénario de référence.

Sur la base du modèle de moteur du produit Real, leurs composants respectifs ont été combinés et ont généré huit scénarios possibles de conception de moteur de haut-parleur, comme le montre le tableau 3.

La combinaison des différents composants du moteur du haut-parleur a été réalisée en tant qu’analyse de sensibilité, prévue comme une phase facultative de l’ACV et également en tant que proposition de possibilités pour le processus décisionnel en matière d’écoconception.

Le graphique linéaire avec deux axes et les cinq scénarios représentant la contribution relative en pourcentage par catégorie d’impact par catégories, a mis en évidence les scénarios HTC 2 et 4 avec un pourcentage de 28,29% au-dessus du seuil de 100%.

Dans l’analyse de la Fig. 4, on observe une variation homogène et un comportement standard entre les catégories d’impacts environnementaux dans les scénarios d’écoconception projetés. En bref, tous les scénarios projetés ont une meilleure performance environnementale que le scénario de base (produit réel), à l’exception de la catégorie du cancer de la toxicité humaine, dans laquelle tous les scénarios projetés ont une performance environnementale inférieure au scénario de base. Il s’agit d’une catégorie d’impact environnemental délicate, avec une attention particulière à la santé humaine et notoirement causée par le cycle de vie du néodyme, corroborant l’étude rapportée par21. Parmi les scénarios d’écoconception projetés, celui qui présente la performance environnementale la plus élevée, en termes absolus, est le scénario 4, composé d’une bobine d’aluminium, d’un formeur de bobine de fibre de verre et d’un aimant en néodyme.

D’autre part, pour avoir une vue d’ensemble de la performance environnementale, parmi chaque scénario évalué, y compris le scénario de base, la normalisation externe a été adoptée par rapport à la somme de chaque catégorie d’impact environnemental évaluée en Amérique du Nord, selon les données de32. Ainsi, il est possible d’avoir une estimation du potentiel total d’impacts environnementaux de chaque scénario et de les comparer les uns aux autres. La figure 5 présente ces résultats.

Graphique linéaire avec deux axes et cinq scénarios représentant l’indicateur normalisé par année par catégorie d’impact par toutes les catégories, soit 51% de plus que le total du scénario 1 par rapport aux autres.

D’après les résultats de la normalisation externe, on observe que les scénarios de projet d’écoconception 2, 4, 6 et 8 ont une performance environnementale équivalente. En outre, bien qu’ils aient tous des impacts potentiels plus élevés pour la catégorie de toxicité humaine non cancéreuse, au total, les scénarios d’écoconception projetés ont relativement 51% moins de potentiel d’impact environnemental que le scénario de base, qui est largement utilisé sur le marché mondial des haut-parleurs. Cette amélioration de la performance environnementale pour tous les scénarios projetés pourrait constituer une avancée majeure dans l’industrie mondiale des haut-parleurs contre l’économie circulaire, compte tenu de l’ensemble des produits sur le marché mondial. Comme il s’agit d’une analyse relative en unités de pourcentage, la contribution relative de la catégorie Toxicité humaine non cancérogène est beaucoup plus élevée que celle des autres catégories, ce qui rend difficile la visualisation des contributions des autres composantes et scénarios pour les autres catégories d’impacts environnementaux. Cependant, il existe une différence significative, en termes de pourcentage, entre les autres scénarios en fonction des catégories d’impacts analysées, comme l’indique la Fig. 6.

Comparaison des contributions relatives par les indicateurs de catégorie, de formeur de bobine et de bobine. La catégorie Ec et HTnC de la bobine est mise en évidence, son pourcentage d’impact étant environ dix fois supérieur aux autres.

On peut voir que les scénarios d’écoconception qui remplacent l’aluminium par de la fibre de verre, en gardant le néodyme dans le formage de bobines, ont une performance environnementale supérieure. Ce sont les cas des scénarios 4 et 8. D’autre part, dans le même graphique, on peut voir que le cuivre présente des potentiels d’impact beaucoup plus élevés que l’aluminium dans trois catégories d’impact. En revanche, les autres catégories sont proches de la limite représentée en rouge et pointillées sur la Fig. 6. Ainsi, on peut conclure que le scénario Ecodesign 4 pour le moteur de haut-parleur, du point de vue de la performance environnementale, est le meilleur parmi les huit scénarios évalués.

L’objectif de recherche a été atteint avec succès dans les limites proposées. Parmi les huit scénarios de remplacement de composants qui caractérisent les propositions d’écoconception, une spécification de projet pour le moteur de haut-parleur avec les performances les mieux analysées a été obtenue. La proposition identifiée est le scénario 4, qui consiste en un moteur avec une bobine d’aluminium, un formeur de bobine de fibre de verre et un aimant en néodyme. En outre, il a été possible d’identifier les scénarios d’écoconception intermédiaires pour le moteur de haut-parleur en fonction de l’option de moteur la plus utilisée sur le marché.

Les résultats de cet article comblent une lacune théorique dans la littérature scientifique et contribuent à la pratique de l’ingénierie avec des subventions pour le processus de prise de décision dans les projets de développement de haut-parleurs.

La recherche a deux limites importantes. La première est basée sur la collecte de données pour le LCI, qui a été réalisée sur la base des fiches techniques des fabricants de haut-parleurs, étant une approche de collecte de données à partir de sources secondaires, mais avec fiabilité. La deuxième limitation concerne le champ d’application de l’ACV, qui était limité à un seul composant du haut-parleur, le moteur, en raison de la complexité de ce produit et de sa chaîne de production.

Cependant, ces limites peuvent être surmontées dans les recherches futures, avec le soutien des fabricants, en adoptant la collecte de données à partir de sources primaires sur le terrain et sur place et pour le haut-parleur dans son ensemble. En outre, il existe des suggestions pour analyser la performance technologique et économique du produit de manière intégrée à la performance environnementale. Ainsi, les résultats ont tendance à être mieux absorbés par les fabricants et les consommateurs, et par conséquent, les projets d’écoconception par haut-parleurs peuvent être mis en œuvre à grande échelle.

Toutes les bases de données et les logiciels utilisés pour soutenir la conclusion de cet article sont disponibles sur le site Web de (http://www.gabi-software.com/international/databases/).

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Les auteurs remercient la Fondation de recherche de São Paulo (FAPESP), subvention nº 2020/11874-5 et le Conseil national pour le développement scientifique et technologique (CNPq), subvention nº 405749/2022-8.

Ces auteurs ont contribué à parts égales: Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho et José Augusto de Oliveira.

Centre pour les technologies avancées et durables - CAST, Université d’État de São Paulo (UNESP), Av. Prof.. Isette Corrêa Fontão, 505, Sao Joao da Boa Vista, Sao Paulo, 13876-750, Brésil

Allan Di Cunto D’Avila de Almeida, Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho & José Augusto de Oliveira

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Tous les auteurs ont révisé et contribué, chacun étant un spécialiste dans un domaine d’expertise particulier pour ce manuscrit.

Correspondance avec Allan Di Cunto D’Avila de Almeida.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

de Almeida, A.D.C.D., Garde, I.A.A., dos Santos, M.P. et al. Scénarios d’écoconception dans le moteur du haut-parleur. Sci Rep 12, 19493 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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Reçu: 26 juin 2022

Accepté: 09 novembre 2022

Publication : 14 novembre 2022

DEUX : https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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