Enceinte acoustique

Enceinte (audio)

Les enceintes sont des caisses souvent en bois dans lequel sont fixés des haut-parleurs, permettant la reproduction acoustique du son à partir d'un signal électrique produit par un amplificateur audio.

Une paire d'enceintes acoustiques

Utilité

Le rôle de l'enceinte est autant d'offrir un support pour les haut-parleurs que de permettre à ces derniers de transmettre à l'air une variation de pression la plus efficace possible.

Les haut-parleurs ne sont pas fait pour être utilisés seuls, il est nécessaire de les fixer sur un support.

En effet, si un haut-parleur est utilisé seul, la membrane de celui-ci fait vibrer l'air devant elle, mais aussi derrière elle. Au moment de la vibration où la membrane avance, la pression de l'air augmente devant, mais diminue derrière, et inversement au moment où la membrane recule. Les variations de pressions de l'air - le son - ne sont donc pas correctement transmises à l'air environnant puisque l'air ne fait que passer de l'avant à l'arrière de la membrane: On dit que l'onde arrière est déphasée de 180° : Lorsque l'onde arrière rencontre l'onde avant, elles s'annulent. Le rendement d'un haut parleur est donc particulièrement mauvais, lorsqu'il est utilisé seul. Il est donc nécessaire de supprimer les vibrations arrières en les absorbant. Dans les enceintes de type bass-reflex une partie de ces vibrations arrières, les graves, ne sont pas supprimées mais déphasées de 180°, afin qu’elles s'additionnent avec les ondes émise par l'avant du haut-parleur.

L'enceinte acoustique a aussi une autre fonction, elle peut accueillir les filtres nécessaires à la distribution du signal électrique aux différents haut-parleurs.

Type d'enceintes

Avant de se lancer dans l'achat d'enceintes acoustiques, il est nécessaire de déterminer le lieu d'écoute ainsi que l'utilisation prévue : sonorisation de fêtes entre amis ou haute-fidélité. Les enceintes sont généralement le maillon faible de la chaîne de restitution sonore, elles deviennent donc l'élément le plus sensible dans le choix des différents élément. L'usage que l'on souhaite en faire est primordial : Sonorisation, Monitoring, Hi-Fi, loisirs. Le genre musical n'a, contrairement à une idée reçue trop largement répandue, rien à voir avec l'enceinte à choisir : une bonne enceinte fonctionne pour tout.

En conséquence, il existe plusieurs types d'enceintes ayant des caractéristiques de base très différentes.

Enceinte close

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. $QTC=QT\sqrt{\frac{VAS}{VB}+1}$ La courbe de réponse est plate jusqu’à la fréquence de coupure.

Pour les valeurs de QTC < 0,707, 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.

À 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 cela du baffle plan.

C'est généralement ce type d'enceinte qui est utilisé pour mesurer les caractéristiques d'un haut-parleur (rendement, réponse en fréquence, directivité, etc.)

Enceinte bass-reflex

Elles sont facilement identifiables grâce à leur évent. Elles sont basées sur le principe du résonateur de Helmholtz qui est constitué d'un volume et d'un évent. L'évent est caractérisé par sa surface et sa longueur.

Le but d'une enceinte bass-reflex est de récupérer les ondes sonores émises à l'intérieur du caisson de l'enceinte pour les restituer en phase avec le son émis à l'avant de l'enceinte. Voici deux différents modèles d'enceinte bass-reflex :

En effet, le mouvement vers l'avant de la membrane d'un haut-parleur crée une pression de l'air qui est accompagnée par une dépression équivalente à l'arrière de la membrane. De manière identique, le mouvement vers l'arrière de la membrane crée une dépression de l'air à l'avant de la membrane accompagnée d'une pression à l'arrière du haut-parleur (à l'intérieur du caisson). Le bass-reflex a pour but de faire sortir les sons enfermés à l'intérieur du caisson de l'enceinte et de les restituer dans la pièce, en phase avec le son normalement émis. Cependant un problème se pose : comment restituer le son à l'intérieur du caisson en phase avec le son émis à l'extérieur étant donné qu'il en est sa parfaite réplique opposée (une pression de l'air à l'avant = une dépression correspondante à l'arrière et vice versa) ? C'est de là que vient le « reflex » du nom bass-reflex ; reflex veut en effet dire en anglais refléter. Alors qu'un miroir reflète une image opposée, le bass-reflex a pour but de refléter le son à l'intérieur du caisson, c'est-à-dire son image originale.

À 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 distorsion aux basses fréquences.

Le dimensionnement du volume de l'enceinte et de l'accord de l'évent se fait en fonction des caractéristiques du haut-parleur. Tous 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.

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 à volume comparable, mais ce registre peut s'avérer moins détaillé si le réglage de l'évent est mal réalisé. Néanmoins, de nombreux audiophiles considèrent tout de même que rien n'égale une enceinte fermée dans la reproduction des graves.

Enceinte « active-passive »

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 ainsi que la raideur de la suspension, assurent la même fonction que l'évent avec des moyens différents.

Vu de l'extérieur, une enceinte active-passive a deux membranes, quand une enceinte bass-reflex n'en a qu'une plus un évent. Certains acheteurs, non spécialistes, considèrent que plus il y a de haut-parleurs mieux c'est. Certains vendeurs ont, par le passé, abusivement profité de cette préférence.

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. Tous les haut-parleurs n'acceptent pas un petit volume et, ne demandent pas un accord très bas.

Baffle plan

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, limitant ainsi le court-circuit acoustique. Le court-circuit acoustique se produit aux basses fréquences, pour des longueurs d'onde qui dépassent 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^-1 (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 6 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.^[1]

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, -9 dB à 57 Hz et -27 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 0.70. Il est possible de remonter le QT d'un haut-parleur qui serait par exemple de 0,4 en mettant en série une résistance de quelques ohms, généralement de 3 à 8 ohms.

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 est l'enceinte pour guitare électrique.

La bande-passante peut être améliorée dans le grave par l'ajout d'un filtre passe-bas du premier 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 grave n'est pas censé monter plus haut que la fréquence de coupure du baffle.

La réponse impulsionnelle est encore meilleure qu'en baffle clos. La qualité d'écoute du haut-grave au haut-médium est excellente avec ce type de baffle.

Enceinte « chargée de pavillon »

Quand les gens veulent que leur voix porte loin, ils mettent leurs mains en entonnoir devant leur bouche. Ils réalisent ainsi un pavillon.

Le principal intérêt du 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 amplificateurs n'existaient pas. La vibration de l'aiguille dans le sillon fait directement vibrer une petite membrane, la vibration est amplifiée par le pavillon.

Plus tard les premiers amplificateurs étant de très faible puissance, les pavillons étaient toujours indispensables pour avoir un niveau sonore correct.

L'époque du début du cinéma parlant fut celle des pavillons, pour sonoriser des salles de 1000 ou 1500 places avec des amplificateurs de 10 ou 20 W seulement. Plusieurs pavillons se partageaient le spectre sonore du grave à l'aigu.

Aujourd'hui les systèmes de sonorisation les plus puissants sont encore munis de pavillons.

En Hi-Fi, à 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 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 font passer dans un pavillon. La bande passante est ainsi élargie. Ce type de charge est particulièrement adapté aux larges bandes 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.

Enceinte coaxiale

Le terme est incorrect dans le cas d'un bafflage plan. 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.

Le terme peut en revanche s'appliquer aux enceintes omnidirectionnelles constituées de haut-parleurs positionnés horizontalement et alignés sur l'axe de révolution de l'enceinte. La particularité de ces enceintes est d'émettre le son dans toutes les directions grâce aux diffuseurs situés en regard des membranes.

Utilisation d'enceintes

Enceintes actives

Les enceintes actives peuvent être amplifiées ou non.

Dans certains contextes, pour gagner en mobilité ou pour économiser un amplificateur, on utilise des enceintes actives, qui sont alimentées par le secteur et qui intègrent l'amplificateur de puissance. Leur principal usage est pour les ordinateurs, écoute studio, mais il existe aussi des enceintes actives de diffusion.

Des systèmes d'enceintes actives sans l'amplification interne existent. Une enceinte active n'est donc pas automatiquement amplifiée. La signification de : « actif », est relative au niveau du filtrage des fréquences. Alors qu'une enceinte passive reçoit un signal sonore amplifié, son filtre constitué de composants électroniques passifs (bobines de self-inductance, condensateurs et résistances), sépare les fréquences entre les différents haut-parleurs : c'est un filtrage passif, le filtrage a lieu après amplification.

Pour le filtrage actif, le but est de filtrer avant l'amplification. Dans la majorité des enceintes actives, nous trouvons donc par exemple une bi-amplification ou tri-amplification du son (pour une enceinte à deux voies ou trois voies). Mais pour beaucoup d'installations, notamment en sonorisation et concert, des systèmes actifs sont utilisés, c’est-à-dire qu'un filtre actif sépare les fréquences du signal puis les envoie vers les amplificateurs séparés respectifs (par exemple : fréquences aigues et fréquences basses), et peuvent rejoindre ainsi la même enceinte (à l'aide d'une prise par haut-parleur : une connexion pour les aigus et une autre pour les basses), ou des enceintes séparées, spécialisées selon leur domaine fréquentiel. Ceci est un système actif mais avec amplification externe.

Moniteur

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 mixage.

Retour

Les enceintes de retours sont des enceintes dédiées à l'écoute des musiciens sur scène. Elles sont généralement conçues avec un pan coupé afin de diriger le son vers les oreilles des musiciens une fois posées au sol. Ces enceintes ont en général une bande passante tronquée dans le grave (< 50Hz) et plate dans l'aigu, ceci afin d'assurer une grande intelligibilité du message, la contrepartie étant un son parfois subjectivement « agressif ». La tenue en puissance relativement faible et la bande passante limitée de la plupart des retours rendent ces derniers difficilement utilisables en façade.

Caisson de basse (subwoofer)

Le caisson de basse (subwoofer en anglais), est une enceinte spécialisée dans la reproduction des fréquences les plus graves (inférieures à 150 Hz).

Il existe deux cas d'utilisation de caisson de basse :

• pour l'extension de la bande passante d'enceintes existantes, que ce soit en stéréophonie ou en home cinema, ceci nécessite un filtrage répartiteur entre les enceintes large bande et le caisson (c'est le « bass-management » des processeurs Home cinema) ;
• pour la prise en charge de canal LFE (Low Frequency Effect) des bandes sonore de film. Dans ce cas la bande passante des formats DolbyDigital et DTS est de 3 à 120 Hz, le caisson doit donc pouvoir descendre le plus possible dans le grave (en fait les bandes sonores ne descendent pas sous 10 Hz).

Les caissons de basse ont la plupart du temps un amplificateur-filtre incorporé, celui-ci permet la gestion :

• des fréquences de coupures : haute pour le recoupement avec les autres enceintes, en extension de bandes passante ; basse pour la protection du haut-parleur ;
• du niveau relatif du caisson vis à vis des autres enceintes ;
• de la phase relative aux autres enceintes.

On lit souvent que la position dans la pièce n'a aucune importance, du fait des grandes longueurs d'ondes considérées. Or le couplage du caisson suivant son emplacement (contre un mur ou dans un coin) augmente plus ou moins considérablement sa bande passante, parfois au point de créer une bosse ce qui se traduit par un son lourd et redondant. L'emplacement fera donc l'objet d'essais, et idéalement de mesures.

Il faut également considérer un inconvénient majeur du caisson de basse : seuls les modèles les plus coûteux sont en mesure de restituer un son stéréophonique. Sur la plupart des caissons de basse, le haut parleur ne possède qu'une seule bobine et ne transmet que le son d'une voie. Mais certains hauts parleurs au prix largement plus élevé intègrent deux bobines afin de transmettre un son stéréo.

Enceinte 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 : elles sont généralement utilisées en front de scène (enceintes de façade).

Enceinte de rappel/relais

Les enceintes de rappel (ou de relais) servent à renforcer le son pour des évènements en plein air ou dans de grandes salles : elles permettent au public du dernier rang d'entendre sans que le premier rang soit assourdi. Dans les installations de grande ampleur, on les alimente avec une ligne à retard, qui, comme son nom l'indique, retarde le signal de quelques millisecondes afin d'éviter l'impression d'écho. En effet, sans cet artifice, le son de la « façade » - les enceintes les plus proches de la scène - arriverait aux spectateurs les plus éloignés avec un retard proportionnel à la distance façade-relais.

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 (exemple : bruit de route ou enceintes « lignes sources ») ne perdent que 3 dB lorsque l'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.

Efficacité d'une enceinte

L'efficacité, ou rendement, d'une enceinte est lié au rapport entre la puissance acoustique délivrée pour une puissance électrique donnée en entrée. Clairement le rendement s'exprime en % = Puissance acoustique / Puissance électrique ; la sensibilité s'exprime en dBspl/1W/1m (littéralement : dBsound-pressure-level pour 1 W en entrée à 1 m de distance), ce qui correspond pour une enceinte d'impédance nominale de 8 ohms à dBspl/2,83V/1m. D'une manière générale c'est cette dernière mesure qui est utilisée du fait que les amplis communs sont des générateurs de tension.

Il est possible, à partir de cette donnée, de calculer le niveau de pression acoustique délivré à un endroit donné pour une puissance connue en entrée : dBspl = (dBspl/1W/1m) + 3 dB (pour chaque doublement de puissance) - 6dB (pour chaque doublement de la distance en mètre, rayonnement en 4 pi stéradian).

Par exemple, prenons le cas d'une enceinte de sensibilité 97 dBspl/1W/1m. Fournissons-lui un signal de 512 W. Le niveau spl à 1 m est alors de 124 dBspl. Si nous nous éloignons de 8 m, le niveau spl est alors de 106 dBspl.

Confort

L'utilisation des enceintes de puissance moyenne-haute peut entraîner de l'inconfort pour les voisins si elles sont utilisées dans des immeubles mal insonorisés. Pour limiter la transmission des vibrations au plancher, des pointes de découplage peuvent être utilisées. Elles réduisent la surface de contact entre l'enceinte et le sol, limitant ainsi la quantité de vibrations transmises aussi bien de l'enceinte vers le sol que du sol vers l'enceinte (par résonance). Ainsi les ondes restituées par l'enceinte sont moins sujettes aux perturbations qu'entraînent les vibrations et la restitution sonore semble plus claire.

De plus, les pointes de découplage, souvent réglables en hauteur, augmentent la stabilité de l'enceinte, notamment lorsque le sol n'est pas parfaitement plan et lisse. Elles peuvent être associées à des contres-pointes afin d'éviter d'altérer les supports des enceintes (parquet...).

Prix

Entre robustesse, efficacité, linéarité, netteté du son, bande passante et puissance : les prix peuvent énormément varier : de 150 € l'unité à plus de 40 000 €. Les versions professionnelles pour studio d'enregistrement peuvent même atteindre des sommets (plusieurs dizaines de milliers d'euros).

Notes et références

1. ↑ www.linkwitzlab.com

Voir aussi

Articles connexes

• Son
• Haut-parleur
• Sonorisation
• Delay
• Chaîne Hi-fi

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