Bon, c'est sûr, c'est pas très beau...et n'a jamais
eu droit à des finitions !
Priorité a été donnée aux résultats d'écoute...
Sur la photo, le tweeter est vissé sur le caisson de bas-médium;
ce n'est pas sa position réelle !
Le but du filtre passif intercalé entre amplificateur(s) et haut-parleurs,
est de n'envoyer à chacun d'eux que la plage de fréquence à
laquelle il sont destinés. On spécifie les caractéristiques
d'un filtre par :
- sa fréquence de coupure (fréquence à laquelle le signal
à la sortie de la cellule de filtrage est atténuée de 3dB)
- sa pente d'atténuation en déciBell/octave (couramment 6,12,18,24)...
- son type d'optimisation (Bessel, Butterworth, Linkwitz-Riley)
Dans tous les cas, le résultat réel ne sera conforme à
la théorie que si chacun des HP est encore linéaire sur au moins
deux octaves en dehors de la plage d'utilisation prévue lors du calcul
du filtre. En réalité, c'est rarement le cas...
L'étude du filtrage des 38 cm en est un bon exemple : là, la courbe
de réponse du HP accuse une bosse entre 300Hz, et 1100Hz, culminant à
+4dB à 600Hz. Tentons un filtre à 400Hz à 12dB/oct, (le
logiciel que j'utilise -SpeakerWorkshop- permet ce genre de simulation), la
réponse acoustique du HP donnera en réalité 400 Hz à
0dB, et f-3 à 500Hz... On peut évidemment en tenir compte lors
de la mise au point du filtre de bas-médium, mais quoiqu'il en soit,
le déphasage du filtre à 500Hz sera supérieur à
90°, et le recoupement des deux réponses acoustiques est donc assez
imprévisible.
Plus la fréquence de coupure du filtre est proche de la zone ou la courbe
de réponse du HP commence à être accidentée, plus
la pente d'atténuation devra être importante.Si ce n'est pas le
cas, on n'obtiendra pas une réponse droite lors de l'association des
HP entre eux.
- Le filtre à 6dB/Octave est en théorie le meilleur (pas de déphasage),
mais est difficile à appliquer dans la pratique.
Un test bien simple permet de s'en convaincre : il suffit de connecter un HP
de grave de 38cm directement à la sortie de l'amplificateur. Et oh surprise,
ce n'est pas du grave que l'on entend, mais du mauvais médium ! En fait,
un simple coup d'oeil à la courbe de réponse permet de voir une
marche au dessus de 1KHz. Il faut donc déjà une grande atténuation
à cette fréquence, si l'on veut une réponse linéaire
et moins de distortion.
Une autre limite vient des chambres de compression, et tweeters, incapables
de supporter de trop grandes excursion de leur équipage mobile, et donc
d'accepter des fréquences trop basses. (par exemple, dans les 909-8A,
l'espace séparant le diaphragme de la pièce de phase n'est que
de 0.58 mm). Vouloir descendre trop bas, c'est la certitude d'avoir médium
dur et coloré, ou un tweeter qui "ferraille", avec un son typé
"sono" (pris au sens péjoratif du terme).
- Le filtre à 12dB/octave, est un bon compromis atténuation/résultats.
Le déphasage de chaque cellule à la fréquence de coupure
est de 90°. Les haut parleurs doivent donc être connectés en
opposition de phase. Pour obtenir une réponse linéaire, le recoupement
doit s'effectuer à -6dB.
-Le filtreà 18dB/Octave perturbe plus la phase, et les pertes d'insertions
et le coût augmentent avec le nombre de composants. D'un autre côté,
cette augmentation du nombre de composants laisse plus de latitudes de réglage.
- Bessel : optimisé en réponse en phase. L'atténuation
ne commence à suivre la pente d'atténuation que très loin
de la fréquence de coupure.
- Butterworth : optimisé en réponse en amplitude. L'atténuation
rejoint la pente d'atténuation dés 2 x Fc pour un passe-bas, ou
Fc / 2 pour un passe-haut. La réponse en amplitude dans la bande utile
est plate (pas d'ondulation)
- Linkwitz-Riley : compromisentrte les deux précédents...
On trouve facilement les formules pour calculer la valeur des composants nécessaire
à la réalisation de ces filtres, malheureusement ce calcul n'est
valable que cellule chargée par une résistance pure, ce qui en
pratique est la plupart du temps loin d'être le cas... Pour s'en sortir,
la méthode consiste à rendre l'impédance de chaque haut-parleur
la plus constante possible, au moins aux alentours de la fréquence de
coupure souhaitée. En pratique, un réseau de compensation est
connecté en parallèle avec le HP :
- RC (résistance + condensateur) pour linéariser la remonter de
l'impédance avec la fréquence (effet selfique de la bobine)
- RLC (résistance+bobine+condensateur) pour "raboter" les bosse
d'impédance à la fréquence de résonnance du HP,
dans le cas d'un tweeter, ou du HP monté dans sa charge dans le cas d'un
HP de grave (compensation de l'impédance "motionnelle" car
dûe au mouvement)
L'aide d'un logiciel d'aide à la conception est d'un grand secours, en
évitant de longs fasitidieux essais (sans compter le stock de composants
nécéssaires) : Il faut mesurer préalablement la courbe
de réponse en pression du transducteur -ce qui permettra de trouver sa
plage utilisable- et sa courbe d'impédance (HP dans sa charge / chambre
de compression montée sur son pavillon).
Il est même parfois possible de profiter des variations de l'impédance
du HP en fonction de la fréquence pour simplifier le filtre.
Le filtre du BMP401 utilisé en bas médium est un bon exemple de
ce genre de simplification. Revers de la médaille, le choix de la fréquence
de coupure basse était ici quasi imposée...
Les fabriquants de haut-parleurs cherchent à obtenir une
courbe de réponse la plus linéaire possible. J'ai donc pris le
parti d'optimiser le filtre afin que la réponse électrique de
chaque voie colle au plus près aux réponses théoriques,
sans réaliser de correction. En fait, j'ai dû oulier quelque peu
ce "beau" principe pour tirer le meilleur parti des tweeters...
Les filtres à 18dB/Octave perturbent un peu trop la phase à mon
gôut, et les pertes d'insertions augmentent avec le nombre de composants,
alors...
Les cellules suivront donc si possible une atténuation de 12dB/octave,
bon compromis atténuation/résultats. Le déphasage de chaque
cellule à la fréquence de coupure est de 90°. Les haut parleurs
doivent donc être connectés en opposition de phase. Pour obtenir
une réponse linéaire, le recoupement doit s'effectuer à
-6dB. La encore, en pratique j'ai dû me résoudre à passer
parfois à 18dB/octave...
Le filtre, purement passif, ne doit pas apporter de gain. Cela a parait évident,
mais dans le cas d'un passe-bande aux fréquences de coupure proches,
c'est vite arrivé.
Elle utilise un Focal Audiom 15H, 38 cm équipé d'une membrane légère à profil exponentiel (proche de celle des Altec 416), suspension souple, xmax réduit (2.5 mm), chargé par un caisson de 220 litres, accordé en Bass-Reflex. Il fut remplacé sur la fin par un Beyma 15LX60.
Voici le relevé des courbes d'impédance des 2 HP,
montés en bass-reflex dans un volume de 220 litres, accordé à
38.5 Hz
On peut constater une "certaine" disparité des 2 HP... dommage
!
La fréquence de coupure à -3dB prévue est de 350 Hz pour un recoupement à 400Hz en 12dB/octave Butterworth..
La structure est un simple Passe-Bas à 12dB/octave.
En voici la réponse électrique... ce n'est pas
glorieux !
Les différentes tentatives de compensation se soldèrent par
des échecs.
Après essai de différentes configuration, et malgré l'ajout
d'une cellule de compensation d'impédance motionnelle, le seul moyen
d'obtenir une reponse linéaire, un joli coude puis une atténuation
franche consiste à utiliser une cellule à 18dB/octave.
Voyons ce que cela donne :
En noir, le gabarit, en rouge la réponse calculée, et en bleu
la réponse réelle.
C'est nettement mieux. Vu la disparité des courbes d'impédance
des deux HP, je n'ai pas jugé utile de pousser l'optimisation plus loin.
La première grosse amélioration de mes enceintes fut l'ajout de cette 4 ème voie, soulageant le 38, et permettant aux Audiom 7K utilisés à l'époque de fonctionner dans leur plage de rendement maximum (mais pas de fidélité maximum...). Sa plage d'utilisation prévue s'étend de 300 Hz à 1000Hz.
Ce HP hors catalogue depuis bien longtemps est un.bas médium économique
à chassis moulé, à la réponse en fréquence
assez linéaire.
Il est équipé d'une membrane légère à profil
exponentiel, et d'une petite ferrite de 120 mm
Il est chargé par un volume clos de 40 litres.
La
réponse de ce HP est linéaire entre 300 et 1000 Hz, après
un palier à -2dB à partir de 135Hz :
Il
va y avoir du sport : Le HP dans sa charge résonne vers 100Hz, ce qui
est très proche de la fréquence de coupure souhaitée, et
l'impédance commence à remonter dés 500 Hz.
Voila
le filtre que j'ai utilisé très longtemps, et mis au point avec
des moyens assez rudimentaires.
Sa structure est : passe-baut 12dB/octave suivi d'un passe-bas à 18dB/octave,
puis d'une correction d'impédance motionnelle, et enfin d'une correction
de remontée d'impédance du HP aux hautes fréquences. On
peut rêver plus simple...
En
voici la réponse, acoustique, micro à proximité de la membranne
du HP. Le résultat n'est pas formidable.
Là,
le schéma s'est nettement simplifié. Ce filtre utilise les coupures
naturelles du haut-parleur, et les variations de sa courbe d'impédance.
Cela réduit à 3 le nombre de composant des cellules de filtrage,
plus une correction d'impédance motionnelle.
et la réponse plus conforme au gabarit. Les coupures sont un peu "brusques",
mais vu le faible nombre de composants restant, il n'y a pas grand chose à
faire...
Voici une paire de 909-8A de première main, achetée à un particulier soigneux qui ne les avait utilisées qu'en Hi-Fi, en remplacement de mes 802-8d
Petite parenthèse : attention au centrage du diaphragme de vos champbres
de compression !
Les pions de centrage ne procurent pas un repositionnement suffisémment
précis de l'équipage mobile. Le peu de jeu suffit à beaucoup
dégrader la réponse en fréquence.
Voir ici.
Le filtrage sera à 12dB/octave, imposant une inversion de phase des
HP les uns par rapport aux autres, et un recoupement à -6dB.
Le pavillon utilisé est calculé pour un fréquence de coupure
de 270 Hertz. Celui-ci étant exponentiel, la fréquence basse théorique
utilisable (2.5x Fc) est 675 Hertz. Un coupure aux alentour de 1KHz permettra
d'atténuer dans la partie encore linéaire de la courbe, condition
indispensable pour obtenir un raccord sans creux dans la courbe de réponse,
très préjudiciable à l'écoute, dans cette zone de
sensibilité maximum de l'oreille !
Sa réponse chute naturellement au dessus de 5KHz. Fréquence de
coupure haute environ 6 KHz à -3dB. La coupure électrique se situera
vers 5500 Hz, pour un recoupement avec le tweeter vers 6KHz/-6dB. Là,
un creux dans la courbe de réponse est à craindre.
Cela méritera un test sans coupure haute, en filtrant uniquement le
tweeter ?
Les fréquences de coupure à -3dB prévues sont de 1200 et
5500 Hz -pour des recoupements à 1000Hz et 6000Hz- l'atténuation
de 12dB/octave -bon compromis atténuation/complexité- et de type
Butterworth. Ce filtre doit aussi atténuer les chambres de compression
de 11dB.
Voici
celle de l''une des 909-8A (sans charge close arrière) montée
sur pavillon en bois sablé.
La mesure est réalisée elle aussi avec SpeakerWorkshop, et la
petite boite d'adaptation (JIG).
Le relevé de la courbe d'impédance d'un moteur à chambre
de compression n'a de sens que si celle-ci est chargé par son pavillon
(de la même manière qu'avec un haut-parleur traditionnel et la
caisse qui le chargera).
La
structure est : Passe-baut 12dB/octave /Résistance d'amortissement /Passe-bas
à 12dB/octave /Atténuateur 11dB. L'atténuateur a été
ajouté après mise au point du filtre.
Le schéma est d'abord entré dans le soft avec des valeurs de composants
supposées proches des valeurs finales, éventuellement affinées
manuellement (changement d'une valeur / calcul / visualisation de la courbe
de réponse et ainsi de suite)
Sans cette précaution, un optimisation automatique conduira très
certainement à des résultats curieux, vu le nombre d'éléments
suceptibles de varier. Il est important aussi de vérifier la courbe d'impédance
du filtre !
En
voici la réponse électrique calculée. Elle est conforme
au gabarit choisi.
Et
la courbe d'impédance à l'entrée du filtre (celle que verra
l'amplificateur) :
Cela descend bien bas... Essayons d'augmenter la valeur des résistances
de l'atténuateur, et voyons ce que SpeakerWorkshop va proposer comme
valeurs de composants.
Le
second filtre :
Sa
courbe de réponse
Et
la sa courbe d'impédance. C'est mieux, mais encore un peu torturé...
Essayons de supprimer la résistance d'amortissement, et de remonter la
valeur de Ra, puis laissons le soft optimiser tout cela.
Nous
obtenons ceci. Rien d'abérant dans les valeurs des composants.
La
courbe de réponse ne change quasiment pas
Cette
fois l'impédance varie moins... mais descend un peu plus bas à
la fréquence de coupure haute.
J'ai regroupé ici toutes les courbes sur deux graphiques, pour comparaison
:
-Le premier filtre en ROUGE
- Le deuxième en BLEU
- Le dernier en VERT
- Le gabarit théorique en JAUNE.
Sont regroupées dans un caisson (pour un futur sablage) les cellules
Aigu / Haut-médium et Bas-médium.
Ce
sont ces tweeters qui devront détailler les fréquences au delà
desquelles les chambres de compression baissent les bras... c'est à dire
au dessus de 5500 Hertz environ.
Voici
la courbe de réponse de ce HP, micro à 5 cm de la sortie du pavillon.
Une petite partie de l'atténuation des plus hautes fréquences
est dûe à la capsule de micro utilisée (environ -2dB à
20KHz), mais la plus grande part en reveint au haut-parleur... (pour cette mesure
le HP est protègé -plus que filtré- par un condensateur
de forte valeur en série)
Et
la courbe d'impédance. Le pic à 50 Hz est bien sûr une "ronflette"
du secteur... La bosse à 3500Hz est en revanche bien réelle, et
mal placée, car trop proche de la fréquence de coupure souhaitée.
premier
filtre est finalement très basique, à part la résistance
de 3 Ohms amortissant la réponse au dessus de 10 KHz, et rammenant le
gain de la cellule de filtrage à 1.
Le
gabarit est en bleu, la réponse calculée du filtre en rouge.
Et
devrait conduire à la réponse acoustique suivante (simulation
réalisée par le produit de la réponse du HP non filtré,
par la réponse électrique du filtre).
A l'écoute, cela ne va pas ! Son dur et projeté, avec l'impression que le tweeter ne monte pas. A revoir !
Ce
second filtre a été optimisé manuellement, en cherchant
à obtenir la courbe de réponse acoustique la plus proche possible
du gabarit, et en jouant sur la valeur des différents composants.
La
réponse électrique du filtre est montante, sans plateau.
A
l'écoute, c'est beaucoup mieux, l'aigu est plus fin et file plus haut.
Cette "astuce" n'est pas nouvelle. La courbe d'atténuation
du tweeter FT66H utilisé sur le gros kit de "Creation Audio Française"
était montante, et dans le kit de la "Maison de l'Audiophile",
le 5HH10 était coupé en pente douce à 10KHz...
Malheureusement, dans le cas présent, le raccord avec la chambre de compression de haut-médium ne se fait pas, car celle-ci chute naturellement dés 5000Hz avant filtrage... d'ou un creux dans la courbe de réponse, avec pour résultat subjectif un tweeter qui "joue tout seul dans son coin".
Voici
le dernier filtre en date :
La
réponse électrique du fitre est en double pente. L'atténuation
du filtrage proprement dit, suivi d'une atténuation en pente douce, linéarisant
la réponse du HP.
La
réponse est un peu moins linéaire, mais le raccord avec la chambre
de compression se fait mieux (du moins avec les pavillons courts que j'utilise
en ce moment). A confirmer lorsque les pavillons en bois sablés seront
de nouveau opérationnels.
A
l'écoute, le raccord se fait bien mieux, surtout après calage
en profondeur par rapport aux pavillons. Le tweeter est mieux intégré,
en ne donnant plus cette impression de "jouer tout seul dans son coin".
En contrepartie, l'écoute perd un peu en finesse... Est-ce le fait de
faire descendre ce petit tweeter plus bas, ou le fait d'une moins bonne linéarisation
de sa courbe de réponse, ou la disparition du trou à la jonction
? Certainement un peu des trois...
Voici la courbe de réponse obtenue, micro à 1 mètre, dans l'axe du tweeter, pour 6 positions différentes de celui-ci. La cote indiquée est la distance entre face d'appui du 5HH10, et face d'appui du pavillon plastique sur les 909-8A (les pavillons en bois sablé étant remisés en attendant un re-sablage). On peut voir aisément que ce réglage est loin d'être inutile !
Gros
plan de la membrane :Ce HP utilise un cône à profil droit, muni de corrugations circulaires,à la manière JBL.
Cette membrane est relativement lourde (120 grammes), ce qui est en partie compensé par un BL de 20 N/A.
Ce HP montera moins haut que l'Audiom 15H, du fait de sa masse mobile plus élevée, et du profil droit (une membrane cônique émet théoriquement un son plutôt désagréable en mode de fractionnement), mais devrait en contrepartie dispenser un extrême-grave plus convaincant, si l'amplification sait le mettre en valeur.
Le Qts de 0.35 est idéal pour obtenir une courbe de réponse plate, et laisse un choix plus large d'accords.
Gros
plan sur le circuit magnétique :Ferrite de 220 mm, plaques de champ épaisses, bobine longue, noyau ventilé. La ferrite est protègée des chocs par un anneau de caoutchouc.
Le Xmax de 9mm laisse présager une bonne linéarité dans la plage de puissance raisonnable, ou ce HP sera utilisé, en usage domestique.
Choix de l'accord, et du volume de charge :
Ce 38 cm est prévu, comme la plupart de ses congénères
de Sonorisation, pour être utilisé en bass-reflex, dans un volume
de charge compris entre 120 et 175 litres.
Cependant, une optimisation par le rendement, variante préconisé
sur le site de Dominique Petoin,
donne un Vb de 220 litres, et un accord à 38.5 Hz, valeurs exactes
de l'actuel caisson de l'Audiom 15H ! J'ai donc simplement échangé
les HP, et j'en ai aussi profité pour mettre la laine de verre à
la poubelle ! Un calcul inverse ce volume, indique un alignement de 8.3, soit
une légère surtension.
Malgré un volume de charge supérieur (de peu) au VAS du HP, la
grave ne traîne pas trop, mais les caissons définitifs utiliseront
un accord plus traditionnel.
Effet
de l'amortissement interne sur la réponse :Voici deux mesures en pression (micro aligné avec le face avant du caisson), HP filtré par les filtres prévus pour les Audiom 15H :
-la rouge caisson vide
- la noire caisson amorti par un rideau de thibaude d'épaisseur 10mm,
suspendu à mi-profondeur, et rabattu jusque sous le HP :
On peut constater la disparition de certains pics et creux, et ce dés le début de la bande, après ajout de thibaude.
Mesure
en pression du HP non filtré :La courbe rouge est la réponse avec micro à la sortie
de l'un des évents.
On peut espèrer une fréquence de coupure basse d'environ 35Hz,
conforme à la simulation.
Contrairement aux précédents 38, ceux-ci n'aboient pas en fin
de bande (pas de remontée en palier prononcé avant la chute naturelle
de niveau dans l'aigu).
Je n'ai pas développé de filtre passif pour ce HP, puisque son gros moteur impose quasiment le passage en bi-amplification (le 300B PP avoue ici clairement ses limites).
