Enceinte (audio)
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Une enceinte est l'ensemble généralement composé d'un caisson (baffle) généralement en bois où sont disposés des haut-parleurs, permettant la reproduction acoustique du son à partir d'un signal électrique.
Elle permet aux haut-parleurs de transmettre à l'air une variation de pression efficace. En effet, sans enceinte, un haut-parleur dont la membrane avance pousse l’air vers l'avant, mais pendant ce temps entraîne l'air sur sa face arrière. L'instant d'après, quand sa membrane recule, il tire l'air vers lui, mais pendant ce temps pousse l'air de sa face arrière, ainsi, la variation de pression exercée sur l'air autour du haut-parleur resterait très faible (surtout dans les basses fréquences). Néanmoins un système nommé bass-reflex permet, par un évent soigneusement étudié dans l'enceinte, de faire résonner les basses fréquences dans l'enceinte, et de renvoyer en phase, avec un léger décalage, l'onde arrière du haut-parleur. L'énergie des basses fréquences étant de ce fait mieux utilisée, l'enceinte aura un meilleur rendement dans le grave (rapport pression acoustique/signal électrique).
D'autres types de charge existent telles le pavillon ou encore la ligne acoustique.
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[modifier] Type d'enceintes
Il existe plusieurs types d'enceintes :
[modifier] Les enceintes closes
Il s'agit simplement d'une boîte hermétique, généralement remplie ou capitonnée d'un matériau absorbant, dont le but est d'emprisonner l'onde arrière et ainsi supprimer le court circuit acoustique.
Le volume d'air qu'elle contient agit comme un ressort. De ce fait son volume doit être calculé en fonction des caractéristiques du haut-parleur : Fréquence de résonance à l'air libre (FS ou FR), Volume d'air équivalent à l'élasticité de la suspension (VAS), et de son coefficient de surtension total (QT ou QTS).
La réponse dans le grave est la plus étendue quand le paramètre QTC=0.707. QTC=QT*racine((VAS/VB)+1) La courbe de réponse est plate jusqu'à la fréquence de coupure.
Pour les valeurs de QTC<O.707, donc dans un volume d'enceinte plus grand que pour QTC=0.707, la courbe de réponse commence à chuter plus haut en fréquence. La fréquence de coupure est aussi située plus haut.
Pour les valeurs de QTC>0.707, donc dans un volume d'enceinte plus petit que pour QTC=0.707, la courbe de réponse aura une bosse avant la fréquence de coupure : +1.5 dB si QTC=1.
A volume comparable, la fréquence de coupure dans le grave est située plus haut que dans une enceinte de type bass-reflex, mais avec une pente plus douce à 12 dB/octave.
Une enceinte close de très grand volume est appelée enceinte infinie. Dans ce cas, l'air qu'elle contient n'a plus d'effet de ressort. Elle se rapproche pour ça du baffle plan.
C'est généralement ce type d'enceinte qui est utilisé pour mesurer un haut-parleur (rendement, réponse en fréquence, directivité...)
[modifier] Les enceintes « Bass-Reflex »
Elles sont facilement identifiables grâce à leur évent. Elles sont basées sur le principe du résonateur de Helmoltz qui est constitué d'un volume et d'un évent. L'évent est caractérisé par sa surface et sa longueur.
A la fréquence d'accord de l'évent dans le volume de l'enceinte, le déplacement de la membrane est presque nul. Le rayonnement sonore se fait intégralement par l'évent. Cela permet de réduire dans des proportions importantes la distortion aux basses fréquences, et augmenter la puissance admissible.
Le dimensionnement du volume de l'enceinte et de l'accord de l'évent se fait en fonction des caractéristiques du haut-parleur. Tout les haut-parleurs n'ont pas des caractéristiques adaptées au montage en bass-reflex. Un haut-parleur ayant un QT (ou QTS) compris entre 0.25 et 0.50 fonctionne en bass-reflex, mais le volume doit être calculé avec soin. Il est possible d'utiliser des haut-parleurs ayant un QT (ou QTS) inférieur à 0.25 si le VAS du haut-parleur est important.
L'accord de l'évent est très important pour le rendu sonore final. Un accord trop haut, donné par un évent trop court en longueur ou trop grand en surface, se traduit par un son "boum boum" désagréable. Un accord trop bas, donné par un évent trop long ou par une surface trop petite augmente le déplacement de la membrane de façon importante. La distorsion augmente, et le risque est plus important de détruire le haut-parleur. L'accord optimal est parfaitement audible sur la qualité du médium reproduit par le haut-parleur, et un réglage à l'écoute est parfaitement envisageable.
Il existe une série de logiciels pour PC pour faciliter les calculs, incluant des simulations des courbes de réponses, du déplacement de la membrane, de l'impédance, du temps de propagation de groupe.
Ces enceintes descendent plus bas dans le grave qu'une enceinte close a volume comparable, mais ce registre peut s'avérer moins détaillé si le réglage de l'évent est mal réalisé.
Leur conception reste plutôt ardue.
[modifier] Les enceintes « Actif Passif »
C'est une variante du bass-reflex qui utilise une membrane sans moteur (aimant et bobine) à la place de l'évent. le terme exact est "radiateur passif". L'évent d'un bass-reflex assure un accord à une fréquence précise. La masse de la membrane passive, et la raideur de la suspension, assurent la même fonction avec des moyens différents.
Vu de l'extérieur, une enceinte active Passive aura deux membranes quand une enceinte bass-reflex n'en n'aura qu'une plus un évent. Certain acheteurs, non technicien, considèrent que plus il y a de haut-parleurs mieux c'est. Certain vendeurs ont, par le passé, franchement abusé à ce niveau.
Il est possible de réaliser un accord très bas en fréquence dans un petit volume avec un radiateur passif. Ce n'est pas réalisable avec un évent, ou alors pour un niveau sonore trop faible incompatible avec les besoins. Attention, tout les haut-parleurs n'acceptent pas un petit volume, et ne demandent pas un accord très bas.
[modifier] Les baffles plans
C'est une enceinte ouverte sans fond ou simplement une plaque plus ou moins grande, qui sépare l'onde arrière du haut-parleur de l'onde avant, et limite ainsi le court-circuit acoustique. Le court circuit acoustique se produit aux basses fréquences, pour des longueurs d'onde qui dépendent directement de la taille de la plaque.
Soit L la largeur de la plaque, et C la vitesse du son, le court-circuit acoustique se produit à la fréquence F=C/2/L. Par exemple, pour une plaque de 1.5 m de large, et une vitesse du son de 343.4 m/s (à 20° C), le court-circuit à lieu à 114.5 Hz.
En dessous de la fréquence du court-circuit acoustique, la réponse chute à raison de 12 dB/octave jusqu'à la fréquence de résonance (FR ou FS) du haut-parleur. En dessous de la fréquence de résonance du haut-parleur, la réponse chute à raison de 18 dB/octave. Avec un haut-parleur qui a une fréquence de résonance à 57 Hz sur un baffle de 1.5 m de large par exemple, la courbe de réponse passe par -3 dB à 114.5 Hz, -15 dB à 57 Hz et -33 dB à 28.5 Hz. La réponse dans le grave est limitée. La pièce rajoute un peu de grave à ces valeurs théoriques : environ 5 dB à 50 Hz.
Cette réponse dans le grave n'est obtenue que si le haut-parleur a des caractéristiques adaptées à cette charge. Le QT (ou QTS) doit être idéalement de 0.80.
Pour les enceintes ouvertes sans fond, il faut veiller à ce que les côtés ne dépassent pas 1/4 de la largeur pour ne pas avoir un accident dans la courbe de réponse. L'application typique des enceintes ouvertes sans fond sont les enceintes pour guitare électrique.
La bande-passante peut être améliorée dans le grave par l'ajout d'un filtre passe-bas du deuxième ordre dont la fréquence de coupure est à peine supérieure à la fréquence de résonance du haut-parleur. Ainsi, la réponse devient linéaire entre la fréquence de coupure du baffle et le fréquence de résonance du haut-parleur. Cependant, l'enceinte subit une perte de rendement relativement importante qui nécessite donc un amplificateur puissant ou l'utilisation d'un haut-parleur à très haut rendement. Cette solution est idéale pour un système multivoie où le haut-parleur de gave n'est pas sensé monter plus haut que la fréquence de coupure du baffle.
La réponse impulsionelle est encore meilleure qu'en baffle clos. La qualité d'écoute du haut-grave au haut-médium est excellente avec ce type de baffle.
[modifier] Les enceintes « Chargées de Pavillon »
Quand les hommes préhistoriques voulaient que leur voix porte loin, ils mettaient leur main en entonoir devant leur bouche. Ils réalisaient ainsi les premiers pavillons.
Le principal intérêt des pavillon est le très bon couplage avec l'air ambiant. C'est pourquoi ils étaient utilisés au tout début de la reproduction sonore avec les phonographes, quand les amplis n'existaient pas. La vibration de l'aiguille dans le sillon faisait directement vibrer une petite membrane, dont le son était amplifié par un pavillon.
Plus tard les premiers amplis étaient de très faible puissance. Là encore les pavillons étaient indispensables pour avoir un niveau sonore correct.
L'époque du cinéma parlant fut la grande époque des pavillons, pour sonoriser des salles de 1000 ou 1500 places avec des amplis de 10 ou 20 W seulement. Plusieurs pavillons se partageaient le spectre sonore du grave à l'aigu.
Aujourd'hui les système de sonorisation les plus puissant sont encore en pavillons.
En HI-FI, a part une très petite minorité de passionnés qui les utilisent encore sur un système complet avec plusieurs pavillons du grave à l'aigu, il n'y a guère que dans la reproduction des aigus qu'ils sont encore un peu plus utilisés.
Souvent les moteurs d'aigus (tweeters) sont surmontés d'un pavillon qui aide à la diffusion des hautes fréquences (qui sont par nature plus directionnelles) Le principal avantage reste l'augmentation du rendement. Ils reprennent un principe connu de tous, celui du porte voix. Sans entrer dans le détail, ce principe permet de faire déplacer à une membrane de haut-parleur une quantité d'air supérieure à sa surface. La quantité d'air déplacée sera égale à la surface de la bouche du pavillon, d'où un meilleur rendement (pression acoustique supérieure). Outre les tweeters, ce principe est utilisé pour les enceintes. Généralement il s'agit d'enceintes utilisant un unique haut-parleur (large bande). On voit aussi des utilisations en sonorisation dans les enceintes dédiées aux basses. Ces enceintes récupèrent l'onde arrière du haut-parleur et la fait passer dans un pavillon. La bande passante est ainsi élargie. Ce type de charge est particulièrement adapté aux large bande dont le seul défaut est de manquer de graves. Le pavillon arrière permet ainsi de se passer de l'ajout d'un haut-parleur de graves.
[modifier] Les enceintes coaxiales
Le terme est incorrect. C'est une enceinte qui utilise un haut-parleur coaxial. Elles permettent d'avoir le tweeter au centre du médium : ainsi on évite certain problèmes de déphasage dû à l'éloignement de deux sources sonores.
[modifier] Utilisation d'enceintes
[modifier] Enceintes actives
Dans certains contextes, pour gagner en mobilité ou pour économiser un ampli, on utilise des enceintes actives, qui sont alimentées par le secteur (220 V) et qui intègrent l'ampli de puissance. Leur principal usage est pour les ordinateurs, mais il existe aussi des enceintes actives de diffusion.
[modifier] Moniteurs
Le moniteur est une enceinte très haute fidélité, dont la caractéristique première est une réponse linéaire en fréquence et en intensité. Ces enceintes sont généralement utilisées en studio pour avoir un aperçu objectif d'un mix.
[modifier] Retours
Les enceintes de retours sont des enceintes spéciales qui une fois posées aux pieds des chanteurs, leur envoient le son vers leurs oreilles. Ces enceintes coupent généralement les principales fréquences d'accrochage des larsens et privilégient les fréquences de la voix afin que le chanteur puisse s'entendre chanter.
[modifier] Subwoofer
Le subwoofer, appelé aussi Caisson de grave, est une enceinte spéciale pour la reproduction exclusive des fréquences les plus graves.
Dans le cas d'une utilisation en Home cinéma, toutes les fréquences graves sont redirigées vers cette enceinte unique. Pour que la position du caisson de grave reste indétectable dans la pièce, il ne doit pas reproduire de fréquences supérieures à 120 Hz.
Les caissons de graves ont la plus part du temps un ampli-filtre incorporé, ampli pour la puissance nécessaire à son fonctionnement, filtre pour couper les fréquences du bas-médium à l'aigu, pour régler le niveau par rapport aux autres enceintes du système, pour règler la phase par rapport à ces autres enceintes.
On lit souvent que la position dans la pièce n'a aucune importance, mais une position entre les deux baffles principaux, sous l'enceinte centrale, est la garanti d'avoir les meilleurs résultats.
[modifier] Enceintes de diffusion
Une enceinte de diffusion est le nom que l'on donne à une enceinte dont le but premier est d'envoyer un maximum de son : elle sont généralement utilisées en front de scène (enceintes de façade).
[modifier] Enceintes de rappel/relais
Les enceintes de rappel (ou de relais) servent à renforcer le son pour des évènements en plein air : elles permettent au public du dernier rang d'entendre sans que le premier rang soit assourdi.
[modifier] Diffusion du son
La diffusion du son subit les lois ondulatoires (voir optique ondulatoire en considérant le son comme de la lumière) :
- Pour une source à rayonnement sphérique (dès que l'on se trouve à une distance grande en comparaison de la taille de la source), la puissance acoustique d'un son (W) est divisée par quatre lorsque la distance est multipliée par deux (la puissance de la source est répartie sur une surface quatre fois plus grande) mais sa pression acoustique (Pa) est divisée par deux seulement, ce qui engendre une diminution du niveau sonore (Lp) de 6 dB. Les sources à rayonnement cylindriques (ex. : bruit de route ou enceintes "lignes sources") ne perdent que 3 dB lorsqu'on double la distance.
- Le son est homogène en intensité dans le cône d'émission du haut-parleur.
- Plus un son est aigu, plus il est directionnel : il a tendance à se propager en ligne droite.
- Les infra-sons se propagent surtout par le sol.
- Les sons aigus sont plus sensibles aux obstacles sur leur chemin. Ils ont tendance à perdre en intensité plus rapidement que les graves. Afin d'éviter au maximum les obstacles, on surélève les enceintes par rapport au public.
- À forte puissance, les enceintes interfèrent avec leur support : c'est une des raisons pour lesquelles on les suspend.
- Au delà de 110 dB, le son est considéré comme dangereux (limiteurs dans les baladeurs et détecteurs dans les salles de concert).
- En un point où deux signaux arriveront en opposition de phase, aucun son ne sera perçu par l'oreille, pour éviter ce phénomène, on fait attention au positionnement des différentes enceintes.
[modifier] Efficacité d'une enceinte
L'efficacité d'une enceinte est très variable selon le type d'enceinte et surtout de haut-parleur utilisé. Même si extérieurement l'aspect des haut-parleurs d'une enceinte semble identique en revanche après mesure l'efficacité peut être très différente.
L'efficacité se mesure généralement avec la pression acoustique fournie par l'enceinte à 1 mètre de distance, pour une tension de 2.83 V et pour un signal sinusoïdale de 1 kHz (norme implicitement admise) : "dB pour 2.83 V à 1 m".
L'impédance la plus courante des enceintes est 8 Ohms. Quand on envoie une tension de 2.83 V dans une enceinte de 8 Ohms, on a une puissance de P = U^2/R = 2.83^2/8 = 1 W. C'est pour cela qu'on lit souvent une sensibilité exprimée en dB/W/m. Mais ce n'est vrai que pour 8 Ohms. Il est beaucoup plus rigoureux de parler en dB/2.83V/m.
Prenons un exemple : une enceinte de 8 Ohms de 88 dB/W/m d'efficacité, associée à un ampli de 64 Wrms, donnera (en théorie) 106 dB. Une autre enceinte de 8 Ohms de 94 dB/W/m d'efficacité, associée à autre ampli de 16 Wrms, donnera (en théorie) 106 dB. En pratique la conversion Puissance/dB n'est pas linéaire quand la puissance devient élevée, et l'enceinte d'efficacité élevée sera meilleure sur ce point.
[modifier] Prix
Entre robustesse, efficacité, linéarité, netteté du son, bande passante et puissance : les prix peuvent énormément varier : de 250 € l'unité pour l'entrée de gamme à plus de 40 000 € quand on veut plus de qualité... Les versions professionnelles pour studios d'enregistrement peuvent même atteindre des sommets (plusieurs dizaines de milliers d'Euros).
[modifier] Voir aussi
[modifier] Articles connexes
[modifier] Liens externes
- Choisir ses écoutes. Article sur macmusic.org (principalement destiné aux home-studioistes, mais interessant pour tout audiophile)en:Loudspeaker enclosure
