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Choix des haut-parleurs

Le choix des haut-parleurs est une étape cruciale du projet, en fonction de leurs qualités et performances, de leur compatibilité et de la cohérence par rapport aux objectifs du projet. 

Le haut-parleur de grave :

La surface de membrane : Pour obtenir une restitution réaliste (c’est subjectif, je vous l’accorde), une surface de membrane minimum est nécessaire car c’est cette surface qui assure le rôle de transmetteur d’énergie de l’enceinte vers la pièce. Ce paramètre est critique dans le grave, car quand la fréquence à reproduire est divisée par 2 par rapport à une fréquence référence, le volume d’air déplacé par la membrane doit être multiplié par 4 pour garder le même niveau sonore !

Au travers de mes expériences et écoutes, je me suis construit une une règle approximative concernant la surface minimale de membrane à retenir pour passer la fréquence la plus basse de manière réaliste .Les plus exigeants diront que cela est encore insuffisant dans l’absolu, mais dans la réalité on va vite s’apercevoir que l’on fait des compromis !

Selon cette règle, pour 2 HP de grave de 18 cm (300 cm2 max), le réalisme est « assuré » jusqu’à 80 Hz environ, et en dessous de cette fréquence, on s’éloigne progressivement du ressenti « réaliste », et c’est effectivement indiscutable à l’écoute. On est déjà un peu loin de notre coup de grosse caisse en concert…

Une configuration qui permette une écoute « jugée réaliste », pourrait ressembler à :

– 1 grave de 38 cm coupé entre 80 et 100 Hz

– 1 haut-grave de 22 cm de 80/100 à 500 Hz

– 1 medium de 15 cm de 500 à 2800 Hz

– 1 tweeter

On voit bien que on est bien loin l’enceinte colonne type que l’on rencontre dans les salons des particuliers…En effet, cette configuration nous conduirait à un volume d’enceinte de 150 à 250 litres, à 4 voies, et supposerait probablement une coupure infra-grave/grave en actif, compte tenu de la la fréquence de coupure très basse et de différence de sensibilité des HP. On voit bien que l’on est donc très souvent amené à faire des compromis en termes de réalisme de restitution.

Limites dues à la pièces d’écoute

En usage domestique, le volume de la pièce d’écoute limite la fréquence minimale et le niveau de grave qu’il est possible de reproduire de manière linéaire et non distordue : pour cette raison, mon évaluation (raisonnable) est que 1 grave de 18 cm (ou 2 de 15 cm) peuvent être considérés comme suffisants pour 15 à 25 m2, 1 grave de 22 à 26 cm (ou 2 18 cm) jusqu’à 40 m2. Dans une pièce plus grande, 1 grave de 30 cm ou 38 cm sera plus adapté.

Ce n’est qu’un guide indicatif, fonction de la géométrie et du traitement acoustique de la pièce.

Attention à la surenchère, un 30 cm qui descend à 30 Hz dans une salle de 15 m2 va exciter des résonances importantes de la pièce, qui altéreront de manière importante la perception de l’ensemble du spectre de fréquences. On sera beaucoup plus qualitatif en termes de musicalité avec une plus petite enceinte bien conçue.

Autres paramètres :

L’étude des paramètres T&S des HP et de la charge souhaitée est une étape obligatoire de base, et ce point est plutôt très bien documenté. Il est dans un premier temps nécessaire de simuler le comportement des HP de grave dans la charge, d’en estimer la future courbe de réponse, mais également d’estimer la réponse transitoire en basses fréquences, de passer en revue les alignements possibles en Bass-reflex avec les volumes de charge associés, en tenant compte de la surface et de la longueur d’évent qui en découlent, des résonances d’évent induites. Cela permet déjà un tri très sélectif des HP de grave en fonction du projet, même si les essais en réel restent nécessaires.

Parmi les paramètres importants à considérer :

– La sensibilité et le rendement (la sensibilité représente le niveau sonore pour 2,8 V, le rendement le niveau sonore pour 1W électrique)

– La construction et matière de la membrane et de la suspension

– Le diamètre de la bobine mobile

– La surface de membrane (évoqué plus haut)

– Le Xmax (déplacement linéaire maxi de la membrane)

– Le coefficient d’amortissement, important pour une bonne réponse transitoire

– La capacité d’accélération

– La fréquence basse à -3 dB du HP de grave monté dans l’enceinte

– Le taux de distorsion dans la plage d’utilisation

Xmax est un des paramètres, avec la tenue en température de la bobine mobile, qui va limiter la tenue en puissance du haut parleur. Pour des applications domestiques, celui-ci est rarement un problème pour des montages bass reflex bien réalisés, mais reste un critère décisif pour des grandes puissances ou pour un montage en clos. En effet, le montage en clos va environ doubler le déplacement de la membrane par rapport à un montage BR, il sera donc nécessaire d’envisager des HP de plus grand diamètre et à fort Xmax.

La capacité d’accélération du haut-parleur va fixer la fréquence de coupure haute maximale. Ce point est critique pour la performance générale de l’enceinte. En effet, la musique est composée de transitoires extrêmement rapides, transitoires que les haut-parleurs de grave, medium et aigu doivent reproduire dans le même « timing » si l’on veut obtenir ce ressenti d’immédiateté, de synchronisation, de rythmique conservée dans l’établissement des notes. Si le haut-parleur de grave « traine » pour suivre un front de montée raide, cela va « arrondir » le son, rendre la séparation des différents instruments moins nette, rendre les silences moins profonds. Ceci est également valable pour le medium et le tweeter, mais reste beaucoup plus critique pour le haut-parleur de grave, dont la masse mobile est beaucoup plus élevée. Il est donc important de pouvoir estimer la fréquence jusqu’à laquelle le HP peut être considéré comme suffisamment rapide.

J’ai donc établi ma propre règle, basée sur mes expérimentations avec des haut-parleurs de différents diamètres, qui me permet d’évaluer la fréquence maximale qu’un HP peut reproduire dans des conditions d’accélération optimales. Elle permet une évaluation comparative de différents HP au moment du choix. Elle est plutôt sévère et elle pose des contraintes supérieures à ce que l’on rencontre le plus souvent dans le commerce.

Pour prendre un exemple, on voit beaucoup de réalisations en 2 voies avec des HP de 18 cm montant à 2500 ou 3000 Hz. Pour avoir pu comparer plusieurs enceintes de ce type avec des enceintes bien conçues avec un excellent médium de 12 cm ou un dôme de 75 mm, l’apport dans la zone 1 à 3 khz est très net, la rapidité d’établissement des notes du 12 cm est bien supérieure, la différence en termes de ciselé est frappante. Selon les critères que j’ai retenus, très peu de 18 cm sont capables de reproduire le 2 khz de manière optimale, et donc de prendre directement le relais avec le tweeter sans compromis. Par exemple, un 18W8531G00 de chez Scanspeak parfois utilisé dans des enceintes 2 voies jusqu’à 2,5 kHz, devra être coupé suivant la règle que j’applique à 1200 Hz, et ne sera donc pas utilisable en 2 voies…

La fréquence basse à -3 dB

C’est un paramètre qui compte, mais pas forcément décisif, qui est parfois sujet à controverses. Ce chiffre ne donne pas une image précise de la performance dans le grave : d’autres paramètres ont une grande importance comme la pente d’atténuation qui dépend de l’alignement, la fréquence d’accord de l’enceinte, le diamètre de l’évent, le diamètres des HPs, et également la courbe de réponse de l’enceinte…Commençons par prendre connaissance des gammes de fréquences produites par les instruments de musique :

– Grosse caisse : fondamentale 50 Hz

– Tuba : fondamentale 30 Hz pour la note la plus basse

– Basse, harpe : fondamentale 28 Hz pour la note la plus basse

On peut estimer que 50 Hz est un minimum absolu pour passer correctement la majorité des instruments, et 30 Hz un objectif raisonnable si on fait l’impasse sur l’extrême grave du grand orgue. Ça, c’est l’objectif ! A adapter à la pièce d’écoute comme vu plus haut… Pour une pièce de 20 à 25 m2, 40 à 45 Hz me semble une bonne valeur. Avec 40 m2, on peut viser le 35 Hz. Ces valeurs sont des repères pour des pièces courantes non dédiées à l’écoute, on peut faire (beaucoup) mieux en traitant acoustiquement la pièce, et obtenir des résultats satisfaisants dans 30 m2 bien traités.

Il y a plusieurs manière d’obtenir du grave : des haut-parleurs de 18 ou 22 cm en bass reflex sont une bonne solution, et permettent de garder une forte capacité d’accélération. On peut même envisager des configurations à 4 HP de grave (mais solution chère !). Ensuite, lorsqu’on se dirige vers des HP de grave plus gros capables de reproduire le 30 Hz, leur capacité d’accélération est bien moindre et la fréquence de coupure haute doit être ramenée autour des 300 Hz maxi pour 1 26 cm, et souvent autour de 150Hz ou moins pour 1 30 cm, ce qui commence à devenir un challenge en 3 voies si l’on veut garder les HP de médium et d’aigu en fonctionnement optimal. C’est possible, mais le choix des HP devient vraiment restreint.

Le taux de distorsion sur la bande reproduite
Ce paramètre a un impact important dans le résultat final, mais il est cependant difficile à obtenir avant d’acheter, car très peu de fabricants le publient, à part dans certaines gammes pro. Il peut y avoir y a de grandes différences entre les haut-parleurs sur ce point, en particulier dans la zone médium pour les haut parleurs de grave et dans la zone des 1 à 2 kHz pour les tweeters.

Pour finir sur le grave, j’insiste sur la très grande importance de la qualité du grave sur le résultat global. On observe de trop grands compromis dans certaines réalisations commerciales, probablement pour des questions de coût et d’encombrement. Il faut dire que la section grave est la plus complexe et contraignante à optimiser, il faut aligner beaucoup de paramètres pour arriver à un bon résultat. Un grave de qualité, c’est à dire avec une bonne extension, une bonne réponse transitoire, un retard de groupe minimal, une caisse qui ne vibre pas, sublime le reste du spectre audio : tout paraît plus limpide, plus ciselé, plus profond, plus charpenté, plus réaliste. A l’inverse, un problème sur le grave contamine l’ensemble du spectre, tout devient fouillis, des résonances masquent le haut-grave, les transitoires sont gommés…Même l’aigu parait mauvais. Une bonne extension dans le grave nécessite du volume de charge si l’on veut optimiser la réponse transitoire, et la demande du marché va plutôt vers des enceintes de petite taille…

Le medium :

Le choix de la taille du HP de médium dépendra en grande partie du choix du ou des haut parleurs de grave. Il devra répondre aux critères suivants :
– Avoir une surface de membrane suffisante pour reproduire de manière optimale la fréquence relais avec le grave
– Avoir une capacité d’accélération suffisante pour reproduire la fréquence relais avec le tweeter
– Avoir un diamètre suffisamment faible pour être capable de reproduire la fréquence de coupure haute sans être directif
– Avoir un taux de distorsion faible sur la gamme reproduite.

La capacité d’accélération est ici primordiale, sachant que ce HP devra monter jusqu’à 2, 3 ou parfois 4 khz pour se raccorder avec le tweeter.
Le taux de distorsion est encore plus critique que pour le HP de grave, en effet toute distorsion dans la zone autour de 1Khz génère très rapidement une gène auditive importante.
Selon mes critères, le diamètre d’un Hp de médium idéal est compris entre 10 et 15 cm (Sd 50 à 100 cm2), même si quelques rares 18 cm peuvent convenir. Ces critères permettent un raccordement sans compromis avec le tweeter et avec des Hp de grave allant jusqu’à 26 cm voire certains 30 cm.

Le tweeter :

En 3 voies, le choix est généralement assez ouvert, sachant que pour une enceinte à haut parleurs de grave de 18 à 26 cm, le médium de 12 ou 15 cm sera à même de garder des performances idéales jusqu’à une fréquence de coupure avec le tweeter de 2500 Hz à 3000 Hz. Les configurations à HP de grave de 30 cm commencent à représenter un plus gros challenge pour rester en configuration 3 voies optimale. Dans ce cas un montage avec 2 médium de 15 cm en MTM ou 2,5 voies peut être une solution intéressante (rapidité et surface de membrane suffisante)
En 2 voies, cela peut également se compliquer un peu : en effet, si l’association avec des 15 cm ne pose généralement pas de problème, peu de 18 cm sont capables de reproduire du 2500 Hz avec suffisamment de rapidité pour que cela soit pleinement satisfaisant. Il est donc à mon sens très intéressant de se pencher sur le cas de certains gros tweeters de 29 à 35 mm, qui autorisent des fréquences de coupure autour de 2 Khz en 2eme ordre sans trop de compromis sur la distorsion, avec certes une petite chute de niveau après 10 kHz, mais qui reste tout à fait acceptable.

Concernant le taux de distorsion, celui-ci doit être le plus bas possible sur toute la plage à reproduire : attention en particulier sur ce qui se passe autour de la fréquence de coupure basse, les taux de distorsion des tweeters remontent généralement très rapidement en dessous de 2 kHz.
La directivité dans l’aigu doit être minimale jusqu’à 10 khz pour une réponse en puissance régulière jusqu’à cette fréquence. Après 10 khz, les conséquences sont moindres.
Une fréquence de résonance basse, associée à un Xmax suffisant ( 0,1 à 0,2 mm étant la valeur la plus communément rencontrée, 0,5 mm étant une valeur élevée pour un tweeter) et un taux de distorsion maintenu faible jusqu’à 1 kHz permet de filtrer le tweeter plus bas en fréquence.

Pour tous les HP :

      ● La qualité de fabrication en général, ainsi que la constance des paramètres d’un exemplaire à l’autre sont importants. Quelques marques « solides » : SEAS, Scanspeak, SB acoustics, Visaton, Audiotechnology
        ● Les courbes de réponse doivent être les plus linéaires possibles au moins 1 octave, si possible 2 au delà de la fréquence de filtrage, ceci pour plusieurs raisons :
               – chaque brusque variation de niveau suppose une brusque variation de phase associée
               – Les brusques variations de niveau sont difficiles à corriger par le filtre, et ces corrections importantes ont des conséquences indirectes difficiles à maitriser sur l’impédance et la phase.
              – La linéarité de la courbe de réponse reste une des toutes premières règles de la « haute fidélité » (non suffisante, mais nécessaire), à savoir reproduire fidèlement la musique, avec un niveau identique sur toute la gamme de fréquences audibles.
       ● Les variations d’impédance dans la zone d’utilisation devront également être surveillées : moins l’impédance varie avec la fréquence (Le faible), meilleur sera le comportement du HP quand la fréquence augmente. les accidents marqués dans la courbe d’impédance sont également suspects.

Paramètres Thiele & Small
Paramètres issus des travaux de Richard H. Small et de A.N. Thiele, définissant les caractéristiques électriques et mécaniques d’un haut parleur.

MTM
Montage Medium-Tweeter-Medium, ou le tweeter est encadré verticalement par 2 haut parleurs de medium.
Cela permet de doubler la surface de membrane du medium, et également de régulariser les lobes dans le plan vertical, associé à un filtre du 3ème ou 4eme ordre (configuration d’Appolitto)