AP3      LES HAUT-PARLEURS (ou HP)

 

AP3.1 Généralités : Rôles et contraintes d'un HP

La fonction principale d'un haut-parleur est bien entendu de restituer, de manière parfaitement fidèle, un message sonore composé de grandes variations de niveaux pour une plage relativement importante de fréquences.

Sous cette demande qui paraît simple, se cache des contraintes mécaniques, électriques et acoustiques qui sont souvent contradictoires et donc très difficilement compatibles. Nous demandons à un HP des performances extraordinaires. Il s'agirait de posséder toutes ces qualités de rendement, de linéarité et de directivité qui soient non seulement bonnes, mais constantes sur toute la gamme des fréquences audibles (10 octaves).

Plage de fréquences :                  de 20Hz à 20kHz :

                                                         Umax
Plage de niveaux acoustiques :   ------------ = 100 000 environ
                                                         U
min

Un seul haut-parleur permettant de réaliser une telle demande n'existe tout simplement pas. Les fabricants d'haut-parleurs font preuve d'une grande imagination afin d'obtenir un compromis qui donne un résultat d'écoute le meilleur possible.

Enfin, il est demandé au haut-parleur la restitution de la " qualité " sonore de l'enregistrement et parfois du local d'enregistrement (concert dans une église, par exemple), donc de l'emplacement "réel" des diverses sources sonores. Ce critère de qualité est subjectif et varie d'une personne à l'autre. Des qualificatifs comme chaud, sec, etc. sont utilisés pour caractériser la restitution d'un HP ou d'un groupe de HP.

En fait, un haut-parleur est un transducteur d'énergie. Il transforme une énergie électrique en une énergie acoustique. D'un signal électrique, un système de transduction engendre un déplacement mécanique d'une membrane qui à son tour va entraîner la vibration de l'air correspondante à l'onde sonore originale.

Les principes physiques utilisés pour la construction des microphones sont réversibles. La transduction piézoélectrique, électrodynamique ou encore électrostatique est possible pour réaliser des HP. Toutefois, le principe à bobine mobile est de loin le plus répandu. La comparaison avec les microphones s'arrête là car si l'on songe aux énergies en jeu, les microphones délivrent des puissances de l'ordre du nanowatt alors que les HP reçoivent des puissances allant jusqu'à quelques centaines de watts.

Les particularités de la propagation des sons (par exemple sa relative " lenteur ", la célérité cair = 330m/s) influence directement l'emplacement des HP dans leur boîtier et dans le local d'écoute. Le volume du local d'écoute ainsi que les obstacles rencontrés par les ondes sonores jusqu'aux oreilles de l'auditeur entraînent des interférences qui créent des modifications du signal original propre à chaque local d'écoute (échos, réverbérations, distorsions de fréquences, etc.). Voir la page du site Propagation des ondes.

Ce que le grand public à pour habitude d'appeler la " haute fidélité " consiste à rendre le plus fidèlement possible un son. Ce qui va de la salle de concert jusqu'à la chambre de l'auditeur. Cela exige des HP un "remplissage" de l'espace sonore du local d'écoute et très vite la technique stéréophonique à été utilisée afin d'améliorer le problème posé par le fait que l'HP est une source sonore ponctuelle.

AP3.2  Spécifications électriques d'un HP

A l'entrée il y a le signal électrique (analogique) fourni par un amplificateur capable de débiter des puissances importantes. Pour un système à bobine mobile, l'haut-parleur peut être considérer comme une inductance pure en série avec une résistance ohmique représentée par la valeur ohmique du fil composant la bobine.

AP3.2.1 Impédance

De par son schéma électrique, Un haut-parleur va présenter une impédance Z à l'amplificateur qui l'alimente. De part les lois électrotechnique nous remarquons que l'impédance d'un HP varie en fonction de la fréquence. Les fabricants nous donnent la valeur de l'impédance pour une fréquence de 1 kHz, qui est appelée impédance nominale.

En continu (f = 0Hz), il ne reste que la résistance ohmique RDC du fil de la bobine mobile. Nous pouvons accepter un lien entre l'impédance nominale et la valeur ohmique de l'ordre de Z nom. = 1,25 RDC (RDC = 0,8 Znom.)

La pointe aux fréquences basses est due à la résonance mécanique de l'équipage mobile du HP. Plus la fréquence augmente, plus l'impédance augmente ( XL est proportionnelle à f) et le circuit devient inductif (déphasage).

AP3.2.2 Puissance

La puissance nominale d'un HP est en fait la puissance maximale qu'il peut supporter sans destruction. La puissance sinus (ou RMS) est déterminée par un signal sinus appliqué pendant une longue durée. La puissance musicale (ou crête) nous indique les puissance très brèves que peu supporter un HP.

A noter toutefois que la destruction d'un HP n'est pas uniquement due à une trop grande puissance (PRMS) appliquée. Mais elle est très souvent due aux distorsions du signal appliqué à l'HP. Ces distorsion entraînent une puissance de crête (Pcrête) aux hautes fréquences qui n'étaient pas présentent dans le signal original.

AP3.2.3  Sensibilité

La sensibilité détermine la pression acoustique à 1m de l'HP dans l'axe pour un signal appliqué de 1W (1kHz). C'est une indication de rendement. La sensibilité est donnée généralement en dB (1m/1W).

AP3.2.4 Courbe de réponse

La courbe de réponse détermine la plage de fréquences restituées par le HP avec une amplitude acoustique plus ou moins constante.

AP3.3  Spécifications mécaniques d'un HP

Nous pouvons séparer le fonctionnement du HP par une première partie transducteur électromécanique, une deuxième partie entraînement " mécanicoacoustique " et une troisième partie par un ensemble d'éléments fixes annexes qui assurent la cohésion de l'ensemble.

Transducteur électromécanique : La bobine mobile se déplace dans l'entrefer d'un circuit magnétique amené par un puissant aimant permanent. La force mécanique engendrée par la bobine qui coupe les lignes de forces magnétiques est directement proportionnelle au signal électrique.

L'entraînement " mécanico-acoustique " est produit par la membrane, solidaire de la bobine, qui met en mouvement le volume d'air environnant. La forme, la grandeur, etc. sont d'une grande importance quant au résultat final de l'HP. Le volume d'air à l'avant et à l'arrière est également important.

Le parties fixes, comme le support (ou saladier) doit être le plus rigide possible mais sans freiner les déplacements d'air. Les matériaux utilisés vont déterminer une des caractéristiques de l'ensemble notamment par la fréquence de résonnance mécanique propre.

FREQUENCES BASSES (HP WOOFER)

Grands déplacements

Gros diamètre du fil de la bobine (P élevée)
surface de rayonnement de grande dimension

Grande membrane mais très rigide

 

FREQUENCES AIGUËS (HP TWEETER)

Petits déplacements très rapides

 

Petit diamètre pour garder un rayonnement omnidirectionnel

 

La dynamique (S/B) du signal acoustique est telle que les fréquences basses (woofer) ont des amplitudes beaucoup plus grandes que les fréquences médium (méd) et aiguës (tweeter). Cela demande des performances souvent contradictoires. Pour palier à ce genre d'inconvénients, les constructeurs réalisent des HP spécifiques à une plage restreinte en fréquences.

De part les lois de la mécanique, un déplacement engendre inévitablement une inertie de mouvement. Une résonance mécanique propre à chaque HP existe et donne naissance à un déplacement erroné de la membrane aux fréquences proches de cette résonance (fréquences basses). Il importe que cette résonance soit le moins audible possible.

AP3.4  Spécifications acoustiques d'un HP

En plus des spécifications propre à l'haut-parleur, son environnement immédiat est extrêmement important et détermine le rendement et les qualités de l'ensemble. Une des première difficulté est le COURT-CIRCUIT ACOUSTIQUE.

A une surpression de l'air à l'avant de la membrane correspond une dépression de l'air à l'arrière de la membrane et réciproquement.

 

Pour y remédier, il faut rallonger le parcours de l'onde sonore avec un écran plat par exemple. L'écran doit avoir une longueur égale au moins à la demi longueur d'onde (voir la page propagation des ondes dans l'introduction à l'acoustique de ce site).

AP3.5  Les enceintes acoustiques

La technique la plus souvent utilisée pour palier au court-circuit acoustique est de définir le volume d'air placé à l'arrière de l'HP en créant ainsi des enceintes acoustiques. En plus, ce système permet d'inclure différents haut-parleurs dans un même boîtier avec les filtres nécessaires et parfois un circuit électronique (amplificateur, protection, etc.).

Ci dessous à gauche, le principe d'un système d'ENCEINTE CLOSE. Le court-circuit acoustique est éliminé complètement mais un grand volume d'air reste nécessaire pour éviter que l'élasticité de l'air freine les déplacements de la membrane.

Au centre, le principe d'un système d'ENCEINTE BASS-REFLEX. Le court-circuit acoustique est utilisé à l'aide d'une ouverture à l'avant du boîtier. L'air sortant par l'ouverture, en phase avec l'air poussé par la membrane a pour effet d'augmenter la sensibilité du système. Le système d'ENCEINTE A EVENT est quelque peu similaire, avec une ouverture plus petite et un "circuit d'air" à l'intérieur de la membrane.

A droite du dessin ci-dessus, le principe d'un système d'ENCEINTE A MEMBRANE PASSIVE. L'élasticité de l'air entraîne un déplacement passif de la membrane souple (généralement située à l'arrière), ce qui permet de réduire le volume du boîtier.
L'air intérieur est amorti par le déplacement passif de la membrane arrière.

AP3.6  Les systèmes divers

Une autre manière est de définir le volume avant ET le volume arrière de l'HP. Ceci va fortement améliorer le rendement de l'ensemble et diminuer les dimensions. Cette amélioration est due au fait que l'équipement mobile de l'HP est étudié pour la masse d'air qu'il doit déplacer.

C'est le cas de l'HP A PAVILLON, qui est caractérisé par une grande portance mais une plage de fréquences restreinte. Ce système est utilisé pour des sonorisations extérieures lors de manifestations, par exemple.

 

Ou encore le cas du système qui utilise un boitier-caisson, essentiellement pour les fréquences basses, qui contient des HP spécifiques. La sortie sonore est effectuée par une ouverture. Ci-contre, l'exemple du système appelé acoustimass par la maison Bose.

 

Dans tous les cas, l'emplacement de l'enceinte (ou du HP) dans le local d'écoute va lui aussi être déterminant pour la qualité acoustique de l'ensemble de la chaîne audio, avec en plus des problèmes d'ordre de directivité, de déphasage, de câblage, etc.

AP3.7  Les filtres séparateurs

Nous avons vu que l'utilisation de plusieurs haut-parleurs chacun prévus et construits pour une certaine plage de fréquence améliorait les performances de l'ensemble. Toutefois cela implique l'utilisation de filtres séparateurs qui va permettre d'appliquer sur chaque HP la plage de fréquences qui lui correspond.

Ces filtres sont généralement constitué d'inductances et de condensateurs. Un des points délicat d'une telle combinaison est la reproduction des sons aux fréquences voisines de la fréquence de séparation. Pour obtenir un résultat acceptable, il faut obtenir une atténuation de -3 dB à la fréquence de séparation pour chaque HP.

D'autre part, les flancs supérieurs et respectivement inférieurs de chaque filtre devrait avoir une pente la plus élevée possible. Enfin, la qualité d'exécution des éléments utilisés pour de tel filtres devient très importante, notamment pour connaître les variations de phases en fonction de la fréquence amenées par le filtre.

Ci-dessous, trois exemples de réalisations de filtres LC :

Enceinte 2 voies (2 HP) ; 6 dB / octave ; fréquence de séparation = 1kHz

Enceinte 2 voies (2 HP) ; 12 dB / octave ; fréquence de séparation = 1kHz

Enceinte 3 voies (3 HP) ; 12 dB / octave ; fréquences de séparations = 800 Hz et 5kHz