Scénarios d'écoconception dans le moteur de haut-parleur | Aimants permanents de Kunming Co., Ltd

Rapports scientifiques 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, tant en quantité qu'en variété. Par conséquent, les impacts environnementaux causés au cours du cycle de vie des haut-parleurs augmentent dans la même proportion, allant dans le sens opposé à ce qui est déterminé par les lois et réglementations environnementales mondiales et les tendances du marché mondial. Même ainsi, la performance environnementale de ce type de produit n'est pas prise en compte dans le processus de prise de décision pour les mises à jour technologiques dans la conception des haut-parleurs. En ce sens, l'Ecoconception 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 des performances environnementales d'un moteur de haut-parleur classique, composé d'un aimant, d'une bobine et d'un corps 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. Celui-ci représente une première étape vers l'Ecoconception complète d'une enceinte et fixe la marche 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). Sur 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 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 à 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, il existe des lois et des règlements prévus par le Resource Conservation and Recovery Act (RCRA)5. La législation européenne compte avec la Restriction of Certain Hazardous Substances (RoHs)6, qui limite l'utilisation de certaines substances dans les processus de fabrication des produits, et le Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE)7 qui impose des obligations aux organisations, contenant les règles applicables aux déchets électroniques. De 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 no. 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 augmenter le recyclage et la réutilisation des déchets solides.

Par ailleurs, certaines normes ont été proposées pour favoriser l'adaptation des organisations au contexte d'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'évaluation 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 de 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, prenant en compte l'ensemble du cycle de vie, l'écoconception s'impose comme l'une des principales techniques pour le secteur productif en quête d'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 la conception du produit dans son ensemble sont difficiles à appliquer dans la pratique, car ils exigent des coûts complexes et des évaluations chronophages. Ainsi, la stratification du produit (système) en sous-systèmes et composants peut être une racine possible pour appliquer l'écoconception dans ce type de produit. De plus, l'approche mentionnée ci-dessus peut être encore améliorée avec une application préalable de l'ACV pour identifier les points chauds environnementaux et classer les priorités pour appliquer les changements dans la conception du produit visant l'écoconception13.

L'ACV s'applique également aux processus décisionnels lors de la phase d'ingénierie des produits, 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 à durée de vie allongée, 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, ainsi que 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, les besoins en matériaux, le développement des produits et le contrôle de la production sont préparés plus efficacement. Par conséquent, il est important de noter que l'ACV ne se limite pas à modifier la conception des produits, mais s'étend à leurs processus de production. Si un procédé n'est pas évalué positivement du point de vue de la durabilité, par exemple parce qu'il demande un grand nombre de matériaux ou d'énergie ou en raison de la génération de déchets en excès, ce procédé 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 manière 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 d'occasions d'affaires puisque de nombreuses entreprises exigent de leurs partenaires qu'ils détiennent des certifications prouvant leur respect des normes environnementales15. L'ACV des produits permet de trouver des sources alternatives de matière première et d'énergie, de développer des procédés nécessitant moins d'intrants et générant moins de déchets, d'identifier la possibilité de valoriser des sous-produits ou des parties de 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 cet objectif, les meilleures enceintes acoustiques recréent le son au plus près 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 en phase, qui ensemble décrivent 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. Ainsi, plus l'amplitude et la réponse en phase sont uniformes sur toute la bande passante de fonctionnement, 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 vallées. 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 du haut-parleur) peut être en papier, en aluminium (Al), en polypropylène ou en fibre de verre/polymère céramique.

Concernant leur principe de fonctionnement, la plupart des enceintes fonctionnent de manière similaire : à l'arrière de l'enceinte, 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 fixée à une pièce mobile ; comme le haut-parleur est alimenté en tension, les variations du 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 un sens, la membrane s'éloigne de l'aimant, et lorsqu'il 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 plus efficace pour produire des fréquences plus basses. Un haut-parleur plus petit ne déplace pas autant d'air et peut donc se déplacer beaucoup plus rapidement, ce qui permet de mieux 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 claire. Cependant, à notre connaissance, aucun rapport de résultats empiriques ayant évalué et identifié les impacts environnementaux sur le cycle de vie du moteur de haut-parleur pour l'application future de l'écoconception dans ce produit n'a été trouvé dans la littérature. En effet, une revue de la littérature révèle que la plupart des études se limitent à évaluer, de manière empirique ou théorique, les effets des nuisances sonores 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. Certaines exceptions sont21,22, où les auteurs ont évalué les impacts environnementaux de l'aimant au 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 lumière les catégories suivantes : Réchauffement climatique ; Acidification; Toxicité cancérogène pour l'homme ; Toxicité humaine non cancérogène ; Air particulaire pour la santé humaine ; eutrophisation; appauvrissement de la couche d'ozone; écotoxicité ; et le smog.

Pour effectuer 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 d'étude délimité, l'ACV est appliquée aux différents scénarios proposés, visant à soutenir le processus décisionnel de l'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 les performances environnementales de scénarios évalués empiriquement par ACV. Les scénarios ont été générés en tenant compte de différentes combinaisons de composants déjà utilisés sur le marché actuel des moteurs de haut-parleurs.

Le présent travail sera utile pour soutenir le processus de prise de décision lors de l'ingénierie des produits de haut-parleur et comblera un vide 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 du moteur a été remplacé par un Alnico (aluminium/nickel/cobalt). Par conséquent, ces haut-parleurs étaient encore des dispositifs assez longs et complexes et pesés. 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 fuite 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 d'aimants permanents. Avec de tels aimants permanents avec un composé Nd, la taille et le poids du moteur du trou ont considérablement diminué26. De cette façon, la modification de l'aimant permanent avec un plus petit et léger est nécessaire pour une nouvelle conception de l'ensemble du moteur du haut-parleur (bobine et corps de bobine), permettant d'employer de nouveaux matériaux et même des biomatériaux. L'évolution des performances du moteur est également due aux tolérances mécaniques des composants, leur influence est importante à vérifier pour garantir la répétabilité en production, et les hautes performances 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 de haut-parleur, mis en évidence dans la Fig. 1, qui est l'une des parties les plus critiques et différentielles de un haut-parleur.

Dessin de la structure d'une enceinte conventionnelle mettant en évidence chaque composant et zoomant sur son ensemble moteur.

Il existe de nombreux modèles de moteurs de haut-parleur largement utilisés sur le marché qui ont des fonctionnalités et des caractéristiques similaires. Nous pouvons grossièrement diviser le moteur en trois parties constitutives principales, à savoir l'aimant, le corps de bobine et la bobine, qui peuvent être construits en utilisant différents matériaux. Le tableau 1 énumère une configuration possible du scénario de référence, dénommée à partir d'ici "Produit réel", et présente sept autres scénarios sous forme de propositions d'écoconception. Par souci de confidentialité des informations du fabricant, le nom et la description du modèle de haut-parleur sont restés confidentiels, considérés dans cet article comme le produit réel. La configuration du produit réel a été adoptée comme scénario de référence car il s'agit de la structure la plus utilisée pour les moteurs de haut-parleurs sur le marché.

Ainsi, l'ACV a été appliquée à chaque combinaison possible des composants des modèles de moteurs, avec des systèmes de produits du berceau à la porte, comme illustré à la Fig. 2.

Diagramme en niveaux de gris avec trois colonnes/étapes avec des flèches signalant les entrées et les sorties du flux de matériaux, de composants et de 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 permettant de générer les scénarios d'écoconception.

L'acquisition matérielle 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 du Nd, la majeure partie de son extraction est concentrée en Chine4,28 et expédiée au Brésil via le transport maritime. Étant donné que le transport de matériaux est à l'origine d'une plus petite partie des émissions globales du cycle de vie du produit, il doit être pris en compte dans l'analyse. L'objectif de l'ACV est d'évaluer les impacts environnementaux de 8 scénarios possibles dans la conception de l'enceinte, 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 standardiser une unité fonctionnelle entre eux. Pour effectuer l'ACV, l'unité fonctionnelle de 1 moteur de haut-parleur (Produit réel) de 960,927 g a été adoptée. Et le flux de référence pour ce produit est la production de 960,927g répartis entre leurs trois composants, considérés comme le produit fini.

Les phases d'ACV ont été réalisées selon les normes ISO 14040 (2009)9 et ISO 14044 (2009)10, en utilisant le logiciel GaBi Student. L'inventaire du cycle de vie (ICV), en tant que deuxième phase, a été collecté à partir des fiches techniques des haut-parleurs. Il s'agit d'une méthode secondaire de collecte de données29. Dans la séquence, la phase suivante de l'ACV est l'évaluation de l'impact du cycle de vie (LCIA). À la suite de la modélisation, des données provenant de quatre méthodologies ont été obtenues. Néanmoins, l'analyse se concentrera sur TRACI 2.1, car il a 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 de 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 moteur de haut-parleur pour toutes les catégories a été calculé. La normalisation externe a été effectuée selon :

où:

NFi est le facteur de normalisation (impact habitant\(^{-1}\) an\(^{-1}\)) pour la catégorie d'impact i ;

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

Es correspond aux émissions de substances pour une zone géographique de référence donnée (kg an\(^{-1}\)). Dans cette étude, nous avons employé les populations US et US-CA ; et

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

Pour plus de détails sur la méthodologie de normalisation, le lecteur est renvoyé à31,32.

Dans cette section, nous présentons d'abord une brève description des impacts environnementaux potentiels répertoriés 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'impacts environnementaux identifiés qui seront d'abord résumés dans un contexte général. Ensuite, les causes de ces impacts environnementaux seront analysées dans le contexte du moteur de haut-parleur.

Selon33, 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 des changements brusques de température sur le globe.

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 lessivés 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. Selon33, l'eutrophisation peut être causée notamment par des émissions dans l'air (par exemple, les oxydes d'azote provenant des processus de combustion), dans l'eau (par exemple, l'azote dans le milieu aquatique provenant de l'utilisation d'engrais dans l'agriculture), et dans et sur le sol (par exemple , émissions de phosphore s'infiltrant dans le sol à partir de sources agricoles).

L'appauvrissement de la couche d'ozone est causé en particulier par les émissions d'origine humaine d'halocarbures et de gaz à des températures atmosphériques normales, tels que des substances réfrigérantes, des solvants et des 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 thermiques pour une efficacité accrue, une transition de phase réversible du liquide au gaz33.

Selon33, 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 leur espèce, qui peut être bioaccumulative. L'écotoxicité est quantifiée en Unités Toxiques Comparatives d'Écotoxicité (CTUe).

L'air particulaire pour la santé humaine est associé 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 toxique comparative pour l'homme (CTUh). La toxicité humaine peut être divisée en deux grandes catégories selon qu'elle est susceptible ou non de provoquer un cancer. La première toxicité humaine est induite par des substances chimiques émises qui sont ingérées ou inhalées par les humains, et ces substances peuvent provoquer le cancer. La toxicité humaine, non cancéreuse, 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 à l'être humain, à l'exception du cancer29.

Enfin, selon29, il y a la formation d'ozone troposphérique, également appelée formation de smog ou simplement smog tel qu'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'appauvrissement des mêmes écosystèmes5.

La chaîne de production du moteur de haut-parleur est composée de la production d'aimants, de la production de bobines et de la production de 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, la plus grande émission affectant la toxicité humaine (agents cancérigènes) 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 cancéreux, l'agent responsable de la toxicité humaine, l'eau contaminée au Pb, a eu le plus grand impact sur les émissions. En ce qui concerne les effets respiratoires, le principal contributeur a été le processus d'enrichissement pour fabriquer l'aimant en ferrite. Dans la catégorie Eutrophisation, l'émission qui a le plus d'impact résulte du phosphate distribué dans l'eau et de l'appauvrissement en O3 ou CH4 présent dans l'air. Dans la littérature, on voit que la combustion de combustibles fossiles dans les fours industriels était le plus grand contributeur à la formation photochimique de la catégorie de pollution atmosphérique (smog)21,22.

Pour qu'un ensemble magnétique de haut-parleur en ferrite ait le même rendement 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 l'extraction et la production primaire de Nd (aimant utilisé dans les haut-parleurs hautes performances) sont 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 concerne 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 dans le 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, l'émission de CO2 se produit principalement par la combustion de combustibles fossiles qui, dans le cas de l'aluminium, après broyage par des tracteurs et des excavatrices au stade de l'extraction de la bauxite, nécessitent divers procédés industriels avec des machines de séparation, le lavage (de grandes quantités de eau), broyage et élimination des résidus séparés de la bauxite lavée. En analysant l'inventaire de l'aluminium dans le matériel supplémentaire, les quantités d'émissions de substances organiques dans l'air et dans l'eau, nous pouvons observer qu'il présente des valeurs deux fois supérieures à celles du cuivre. Concernant le cuivre, la seule valeur aberrante et supérieure à l'aluminium était dans la catégorie 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 pour ne pas influencer le déplacement de l'ensemble et, par conséquent, la qualité acoustique.

Dans30, les résultats de l'application de l'ACV à la production de forme de bobine sont décrits par34, en comparant les impacts du cycle de vie de la forme de bobine en aluminium et en cuivre. Pour la forme de bobine, le processus d'extraction de la bauxite passe par la même procédure décrite dans la production de bobine d'aluminium, en se différenciant dans l'étape finale dans laquelle les feuilles d'aluminium sont formées et non la billette comme celle destinée à la bobine. Les notes d'impact pour la fibre de verre étaient meilleures que celles de l'aluminium. Son procédé de fabrication est plus simple que celui de l'aluminium, utilisant de plus petites quantités de minéraux dans sa composition et nécessitant moins de machines. Dans le cas des minéraux, on peut voir dans l'inventaire en Supplémentaire 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 un résultat positif pour la catégorie d'impact, et trouver la cause profonde de cet écart ne fait pas partie de la portée de l'étude, mais cela peut être indiqué pour l'avenir. étude approfondie. L'utilisation de la fibre de verre dans les haut-parleurs devient intéressante à la fois en termes d'environnement et de performances 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 composant du scénario 1 du moteur de 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 catégories, mettant en évidence la catégorie de bobines d'aluminium HTC avec le pourcentage le plus élevé.

Considérant 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 des autres composants et matériaux du moteur de haut-parleur. Ainsi, la prémisse est que, dans le but d'obtenir les meilleures performances environnementales pour ce produit, la ferrite devrait être remplacée par du néodyme dans tous les scénarios. Ainsi, les scénarios 3, 5 et 7 contenant de la ferrite ont été exclus. Seul le scénario 1, qui contient également de la ferrite, a été retenu, raison pour laquelle il a été retenu 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 de conception de moteur de haut-parleur possibles, comme indiqué dans le tableau 3.

La combinaison des différents composants du moteur du haut-parleur a été réalisée sous la forme d'une analyse de sensibilité, prévue comme une phase optionnelle de l'ACV et également comme une proposition de possibilités pour le processus décisionnel 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'Ecoconception 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 Toxicité cancéreuse pour l'homme, dans laquelle tous les scénarios projetés ont une performance environnementale inférieure à celle du scénario de base. Il s'agit d'une catégorie d'impact environnemental délicate, avec une attention particulière pour 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 les performances environnementales les plus élevées, en termes absolus, est le scénario 4, composé d'une bobine en aluminium, d'un corps de bobine en fibre de verre et d'un aimant en néodyme.

D'autre part, pour avoir une vision de la performance environnementale dans son ensemble, parmi chaque scénario évalué, incluant le scénario de base, une 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 entre eux. La figure 5 présente ces résultats.

Graphique linéaire avec deux axes et cinq scénarios représentant l'indicateur normalisé par année par catégorie d'impact pour toutes les catégories, étant supérieur de 51 % au total du scénario 1 par rapport aux autres.

A partir des résultats de la normalisation externe, on constate que les scénarios 2, 4, 6 et 8 du projet Ecoconception ont des performances environnementales équivalentes. De plus, bien qu'ils aient tous des impacts potentiels plus élevés pour la catégorie Toxicité humaine non cancéreuse, au total, les scénarios d'écoconception projetés ont un potentiel d'impact environnemental relativement inférieur de 51 % à celui du scénario de base, qui est largement utilisé sur le marché mondial des haut-parleurs. Cette amélioration des performances environnementales pour tous les scénarios projetés pourrait être une avancée majeure dans l'industrie mondiale des haut-parleurs contre l'économie circulaire, compte tenu de la totalité 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 cancéreuse est beaucoup plus élevée que les autres catégories, ce qui rend difficile la visualisation des contributions des autres composantes et des 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 analysés, comme indiqué dans la Fig. 6.

Comparaison des contributions relatives par les indicateurs de catégorie, de coil former et coil. 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 conservant le néodyme dans la forme de bobine, ont des performances environnementales supérieures. Ce sont les cas des scénarios 4 et 8. En revanche, sur le même graphique, on constate que le cuivre présente des potentiels d'impact bien supérieurs à l'aluminium dans trois catégories d'impact. En revanche, les autres catégories sont proches de la frontière représentée en rouge et en pointillés sur la Fig. 6. Ainsi, on peut conclure que le scénario Ecodesign 4 pour le moteur de haut-parleur, du point de vue des performances environnementales, est le meilleur scénario parmi les huit 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 en aluminium, un corps de bobine en fibre de verre et un aimant en néodyme. De plus, 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 comporte 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 limite est dans le périmètre de l'ACV, qui était limité à un seul composant du haut-parleur, le moteur, du fait de la complexité de ce produit et de sa chaîne de production.

Cependant, ces limites peuvent être surmontées dans des 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. De plus, il y a des suggestions pour analyser la performance technologique et économique du produit de manière intégrée avec 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 de haut-parleurs peuvent être mis en œuvre à grande échelle.

Toutes les bases de données et 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 São Paulo Research Foundation (FAPESP), Grant Nº 2020/11874-5 et le Conseil national pour le développement scientifique et technologique (CNPq), Grant 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 de technologies avancées et durables - CAST, Université d'État de São Paulo (UNESP), Av. Prof. Isette Corrêa Fontão, 505, São João da Boa Vista, São 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 et José Augusto de Oliveira

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

Correspondance à Allan Di Cunto D'Avila de Almeida.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

de Almeida, ADCD, Garde, IAA, dos Santos, MP et al. Scénarios d'écoconception dans le moteur de 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

Publié: 14 novembre 2022

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

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