Le problème de l'alignement des haut-parleurs engendrés par le filtrage
Bien que mon système équipé d'un filtre série de pente 6 dB/octave me donne entière satisfaction depuis près de 3 ans maintenant, le problème de l'alignement de la chambre de compression sur le haut-parleur de grave qui le soutient me taquine toujours un peu.
Sur des enceintes "standards" le problème est rarement solutionné et les hautparleurs sont fixés sur la façade et vivent avec leurs problèmes d'alignement engendrés par leurs filtrages. Certains constructeurs règlent ce défaut en adaptant la géométrie de leurs enceintes qui présentent alors une silhouette "en escalier" qui dégrade fortement le WAF (Women acceptance factor) !
Le problème de l'alignement des haut-parleurs engendrés par le filtrage
Dans mon cas, le problème n'est pas plus simple !
Expérimentation d'alignement
L'image ci-dessus montre le système correctement réglé. J'avais fait un support pour permettre la mesure mais si la bouche du pavillon pouvait se trouver à la verticale du haut-parleur de grave, ça serait quand même plus facile à vivre !!!
Le filtrage en actif offre une solution rapide et radicale à ce problème d'alignement, mais après y avoir goûté et remplacé par un filtrage analogique, je n'ai pas envie de me tourner vers une solution numérique.
Je me suis rappelé qu'une des oreilles d'or de mon entourage avait utilisé pendant un bon moment une solution analogique pour filtrer et aligner son système. L'appareil utilisé était un filtre actif analogique RANE AC22S.
Filtre électronique analogique Rane AC22S
On aperçoit à gauche du sélecteur de la fréquence de
coupure du filtre un bouton nommé "Délai" permettant un réglage de 0 à 2 mS.
Le Behringer CX 3400 est très semblable au Rane. Il
dispose également de la fonction "Délai" identique à celle du Rane.
Filtre électronique analogique Behringer CX3400
Il existe bien sûr de nombreux appareils de ce type sur le marché et je fais référence à ceux-ci car l'étude des schémas va me permettre d'en comprendre le fonctionnement.
La vitesse du son étant 340 m/S, en 1 mS le son parcourt 34 cm. Le réglage autorisant une variation de 2 mS, on dispose donc d'une latitude de réglage sur 68 cm ce qui permet l'usage de pavillon assez profond.
L'étude des schémas montre que la fonction "Délai" est assurée par ce que l'on nomme un filtre "passe tout" ou "Déphaseur".
Schéma d'un déphaseur
Ce circuit possède la particularité de ne pas modifier le niveau du signal d'entrée. Il ne modifie que la phase du signal, de 0 à 180°,en fonction du produit RC. C'est pour cela que si l'on veut pouvoir agir sur un cycle complet, soit 360°, il faut mettre 2 cellules de ce type en série.
C'est ce qui apparaît de manière évidente dans le schéma suivant :
Schéma typique du réglage du délai
Comme ils disent à la télé "C'est simple, non ?"
Les éléments actifs à prendre en compte sont le potentiomètre de 100 kΩ et le condensateur de 5,6 nF
Lorsque le potentiomètre est au maximum, le produit RC = 0,00056 et F=1/2πRC, soit F=284 Hz, la période T=1/F vaut : 0,0035168 seconde ou encore 3,517 mS
Lorsque le potentiomètre est au minimum, le produit RC = 0,000002861 et F=1/2πRC, soit F=255646 Hz, la période T=1/F vaut : 0,0000179708 seconde ou encore 0,018 mS
Soit une plage de réglage très large allant de 0,018 mS à 3,517 mS
le calcul montre que 1 mS est atteinte pour la valeur de 28400 Ω soit environ au tiers de la course du potentiomètre
Cette valeur de 1 mS permet un recul de 34 cm environ ce qui laisse donc une bonne marge de réglage.
Ce type de réglage n'est pas valable dans tous les cas !
Si on se réfère à la première figure de cette page, on voit qu'il s'agit de décaler en arrière, le tweeter par rapport au Medium et le medium par rapport au grave.
Mais ici nous sommes dans le cas contraire, car il s'agit de faire reculer le grave par rapport au medium du fait de la nature physique des éléments :
Heureusement car ce circuit de correction (applicable dans le contexte d'un déphasage constant quel que soit la fréquence de coupure du filtre, ce qui est le cas du Linkwitz-Riley 24 dB) montre assez rapidement ses limites quand la correction s'adresse aux fréquences élevées car à partir de 800 Hz environ, la correction étant alors de moins en moins efficace.
(Ndr : j'ai trouvé sur le Web un schéma expliquant cela, mais impossible de remettre la main dessus !)
S'équiper d'un appareil tel que le Rane ou le Behringer est tentant, mais quand on regarde de près la réalisation on se dit qu'on peut faire plus simple et de bien meilleure qualité.
En effet, dans le contexte d'une utilisation non professionnelle, on n'a pas besoin d'entrée ni de sortie de type XLR et de toute la circuiterie qui accompagne ces appareils. Point n'est besoin non plus d'un commutateur de fréquences puisque juste 1 sera utilisée. De plus, les circuits intégrés utilisés sont de bien piètre qualité par rapport à ceux qu'on trouve dans le commerce aujourd'hui pour quelques Euros.
Par contre, l'intérêt que l'on peut trouver est le type de filtrage utilisé : Le Linkwitz-Riley 24 dB/octave.
http://linkwitzlab.com/filters.htm
Comme le nom du filtre l'indique ce filtre a été mis au point par 2 ingénieurs américains : Siegfried Linkwitz and Russ Riley il y a
plusieurs dizaines d'années et est toujours très utilisé dans le domaine professionnel.
Il a la particularité d'être constitué de 2 cellules de filtrage identiques de type Butterworth 12 dB/oct. misent en série. Ceci a pour conséquence d'obtenir des sorties en phase à toutes les fréquences (et non pas juste à la fréquence de coupure) avec un offset de 360°.
Le schéma global est très simple : Un étage tampon (suiveur, de gain 1) pour éviter de perturber la source à laquelle sera connectée le filtre suivi de 2 cellules de filtrage, l'une pour le filtrage passe-haut, l'autre pour le passe-bas qui sera suivie du circuit permettant le réglage du délai.
Schéma d'un filtrage Linkwitz-Riley 24 dB/octave
Je me suis demandé si on ne pouvait pas trouver quelque chose de tout fait dans ce genre, et bingo, un circuit convenant parfaitement à mes souhaits :
Kit fourni par la société Kemtech correspondant au schéma ci-dessus
Livré en kit avec des circuits OPA 2134 qui semblent plutôt bons et qui ne demandent pas des heures de câblage !
Il est possible de préciser au fournisseur la fréquence de filtrage voulue afin que les résistances soient adaptées.
Compte-tenu de la standardisation des valeurs de résistances,1 la fréquence de coupure obtenue est de 610 Hz.
Outre l'aspect filtrage et la correction du délai, l'idée de base est donc de reporter le filtrage en amont de l'amplification contrairement à ce
que fait le filtrage passif.
On va donc pouvoir parler à nouveau de multi-amplification puisque derrière ces filtres, il va falloir connecter des amplificateurs.
Comme j'ai à peu près essayé pratiquement tout ce qui se fait en termes de types de filtrage actif (pas en matériel bien sûr) j'ai acquis une conviction, celle qu'il faut des amplificateurs identiques pour toutes les voies amplifiées !
Bien sûr, beaucoup vont me tomber dessus en essayant de me prouver le contraire.
pourtant j'ai souvent constaté que ceux qui composaient leurs systèmes audio fonctionnant en filtrage actif avec des amplis différents voir même de
technologie différente (à transistors dans le grave et à tubes dans l'aigu) n'avaient jamais de stabilité en termes de matériels.
Quel serait alors le cahier des charges de cet ampli ?
J'utilise depuis longtemps un amplificateur de faible puissance avec bonheur, le 8W Classe A Hiraga et à la lueur des réflexions lues sur le forum Mélaudia à propos des amplificateurs Kanéda de faible puissance fonctionnant en Classe AB, je me dis que j'essaierai bien cet amplificateur (le 8W Classe A Hiraga) en classe AB, l'idée étant de le faire fonctionner en Classe A jusqu'à 1W et en classe B jusqu'à sa puissance maximum. Très simple à réaliser puisqu'il n'y a que 2 résistances à changer. De ce fait 2 points intéressants se dégage : Une consommation très basse autorisant un fonctionnement sur batteries et un dégagement de chaleur très modéré.
Mais, problème, je n'ai pas trop le temps de me lancer dans la réalisation de 4 amplificateurs de ce type sans compter la course au composants...
Me voilà donc reparti en quête de cet amplificateur sur ebay car je sais qu'il a fait l'objet de nombreuses réalisations de très bons niveau et là encore j'ai trouvé un kit qui me semble de très bonne facture comme savent le faire les chinois. Composants de premier choix et réalisation excellente des circuits imprimés.
Clône de l'ampli 8W Classe A - J.Hiraga
Un petit problème toutefois, l'approvisionnement des transistors, car il s'est passé pas mal de temps depuis la description de cet ampli dans la revue l'Audiophile. Il semble que ce sont les transistors de puissance qui soient désormais quasiment introuvables. Je ne suis pas trop inquiets car les remplaçants, plus modernes, seront certainement aussi performants que leurs aînés !
Outre le filtrage, l'étude et la réalisation du circuit présenté plus haut assurant le réglage du délai, j'ai approvisionné des transfos d'alimentation, des gros condensateurs TFRS et des circuits de protection des haut-parleurs.
Il manque encore les diodes de redressement que j'ai choisi plutôt standards car il ne sert à rien de s'équiper de diodes dites "ultra rapides" comme l'a démontré Jipihorn dans cette video : https://jipihorn.wordpress.com/2014/03/02/le-mythe-des-diodes-rapides-en-audio/ .
J'ai câblé les petits circuits de filtrage (les 2 circuits verts au centre de l'image) et les 4 cartes amplificateurs sur lesquelles j'ai remplacé les grosses résistances de 1Ω 5W par des résistances non-inductives, non pas que celles fournies avec le kit ne fussent pas bonnes mais leurs pattes étant trop rapprochées ne facilitaient pas leur câblage.
Les circuits de protection ont été achetés tout montés chez Audiophonics qui les fournis depuis peu. Le test à montré qu'une tension continue de +1,2 V ou -2 V est nécessaire au déclenchement de la protection qui reste enclenchée jusqu'à la coupure et remise en route de l'alimentation, la disparition d'un problème ne suffisant pas à rendre la protection à nouveau opérationnelle. A la réflexion, cette manière de procéder est intéressante car si il y a eu un problème ça vaut peut-être le coup de jeter un
œil sous le capot avant de poursuivre l'utilisation.
Les transfos sont des R-Cores de 2 x 12V 120 VA largement capables de fournir le courant demandé et les gros condensateurs sont des 10000 µF 16V en technologie TRFS (Très faible Résistance Série) capables de fournir un courant très élevé dans un temps très cours du fait de sa faible résistance série. Ils remplacent avantageusement les batteries de gros condensateurs qu'on pouvait voir dans les réalisations datant d'une vingtaine ou trentaines d'années lorsque cette technologie n'existait pas ou très difficile d'accès.
J'ai aussi approvisionné "l'accastillage", je veux dire les prises d'entrées et de sorties et les connecteurs mâles et femelles XLR pour le raccordement du boitier ampli avec le boitier alimentation.
Reste donc à choisir et a approvisionner les boitiers. La réflexion est en cours.
17 janvier 2017
Les condensateurs de 10000 µF 16V en technologie TRFS étaient très intéressants, mais malheureusement ils étaient trop hauts pour rentrer dans un coffret 2 pouces (88 mm). J'ai trouvé des remplaçants en la série M-Lytic de Mundorf chez Audiophonics.
Condensateurs Mundorf série M-Lytic TFRS
Ces condensateurs ont des performances très corrects et je les ai largement utilisés dans les circuits d'alimentation. Comme on peut le voir sur le tableau ci-dessous, les 47000 µF 25V présentent un ESR de 7 mOhms à 100 Hz !
Caractéristiques des condensateurs Mundorf série M-Lytic TFRS
L'alimentation a donc pris l'allure suivante (il y en a bien sûr une par amplificateur)
Schéma de l'alimentation de l'amplificateur 8W Classe A
Afin de d'obtenir une alimentation la plus silencieuse possible, j'ai fait appel à de grosses selfs de filtrage Mundorf de 10 mH.
Self Mundorf BS140
L'efficacité n'est pas négligeable car, si à 100 Hz ces selfs présentent une impédance de (Z=Lω) 6,28 Ω, à 1000 Hz elle vaut 62,8 Ω et évidemment à 10000 Hz, 628 Ω. Les parasites qui se baladent sur le secteur sont très fermement réjectés.
J'avais dans l'idée de séparer les circuits d'alimentation de ceux d'amplification afin d'obtenir les amplis les plus silencieux possibles. Donc un coffret alim et un coffret amplis.
Il est le reflet exact du schéma présenté ci-dessus
Le coffret Alimentation
Les tensions positives et négatives sortent par des prises XLR 3 broches qui alimentent les amplis via un cordon adhoc. Le petit transfo qui se
trouve entre les 2 transfos R-Core de 120 VA est destiné à l'alimentation des circuits de protection des HP.
Les connections d'écran des transfos R-Core sont reliées au châssis au même endroit que la terre secteur...
On y voit les 4 circuits imprimés des amplificateurs et sur les cotés, on devine (!) les transistors de puissance fixés au radiateurs. Au centre, les modules de protection et de temporisation (un par ampli). Les diodes qui indiquent l'état du fonctionnement de ces circuits ont été déportées sur la face avant.
Entre les circuits amplificateurs et ceux de protection on aperçoit les condensateurs de 47000 µF découplés par des
condensateurs Wima (rouges)de 2,2 µF.
Tous ces condensateurs sont câblés au plus près des circuits amplificateurs.
Le coffret ampli
J'ai abaissé les courants de repos en les limitant à 150 mA environ pour faire fonctionner les amplis en Classe A jusqu'à environ 1W et en Classe AB ensuite. les radiateurs sont à peine tièdes au bout d'une heure de fonctionnement.
Vue arrière du coffret ampli. Les XLR d'alimentation encadrant le connecteur 12V pour les circuits de protection et les couples RCA d'entrée et les bornes de sorties HP.
Face arrière du coffret ampli
Comme pour tout ampli, j'ai passé un peu de temps à optimiser quelques fils de masse pour obtenir le meilleur silence de fonctionnement. L'oreille dans le pavillon de la compression TAD 4001 laisse toutefois entendre un très léger Bzzz qui ne s'entend plus à 50 cm du pavillon. je suis assez satisfait.
A vrai dire, je n'étais qu'à moitié satisfait par l'allure de mon câblage et par le léger buzz cité précédemment. On est perfectionniste ou on ne
l'est pas !
Je me suis donc penché sur le problème et j'ai essayé d'optimiser les circuits de masses et ceux d'alimentation. Pour cela j'ai envisagé et réalisé un petit circuit imprimé :
Ce circuit imprimé est d'une seule pièce mais les alimentations et masses sont séparées entre voie droite de gauche (Barre verticale blanche au
centre)
Les points noirs au centre (ou converge les flèches jaunes) correspondent à l'arrivée des masses des circuits
d'alimentation provenant du coffret alimentation.
Les petits rectangles rouges figurent les cosses de raccordement aux amplis.
Cette image montre que les circuits d'alimentation en +15V et -15V sont
évidemment complètement isolés du circuit de masse qui occupe toute la surface du circuit imprimé. Mais "l'astuce" majeure est que les courants de masses des circuits de protection, des amplis et des haut-parleurs ne peuvent circuler que par un seul chemin (flèches jaunes) pour arriver au point de masse centrale (le point noir sur l'image)
La réalisation donne ça :
Dispatching des circuits d'alimentation et de masses
Comme on le voit sur la partie supérieure de la photo, les circuits de protection ont été remplacés par des modules Wellmann K4700 dont je préfère la conception d'une part, mais qui permet aussi de séparer et d'isoler les masses de ces circuits qui, dans le cas précédent étaient communes créant de ce fait une boucle de masse. L'inconvénient est que j'ai du modifier l'alimentation de ces circuits de protection puisque dans le cas précédent la tension d'alimentation était une basse tension alternative de 12V et que celle des nouveaux modules K4700 est de 220V. Ce problème est toutefois négligeable car le courant consommé par ces modules est très faible et donc peu rayonnant et je me suis arrangé pour que les fils d'alimentation passent au milieu du coffret et par conséquent assez éloigné des cartes amplificatrices.
Sur cette image, on voit sur la face avant 2 petits circuits imprimés. Ils supportent 3 diodes Leds (Verte, jaune et rouge). Ces 2 dernières
sont celles qui sont d'origine sur les modules Wellmann K4700 et qui reflètent l'état des circuits, jaune : commutation en attente (temporisation à la mise sous tension) et rouge : problème de tension continue > à 1V sur les sorties haut-parleurs. Comme ces diodes sont normalement éteintes en fonctionnement normal, la led verte indique alors que les modules sont sous tension.
Certains diront que c'est un vrai sapin de noël, mais si on considère le prix des haut-parleurs raccordés à ces amplis, il vaut mieux savoir ce qui se passe sur leurs sorties !!!
Sur la face arrière, entre les deux prises XLR d'alimentation des amplis en + ET - 15v, la prise 220V qui alimente les 2 modules de protection empilés l'un sur l'autre.
Sur le tableau ci-dessous j'ai fait apparaître le rendement pour 1W des divers haut-parleurs à ma disposition.
Soit, 110 dB/W/m pour une compression TAD 4001.
Un niveau d'écoute correct mais moyen est de l'ordre de 80 dB (peut-être un peu plus pour les durs d'oreille !)
L'amplificateur doit alors dans ce cas fournir une puissance de 1 mW, mais l'écoute ne se faisant pas la tête dans le haut-parleur, il convient de tenir compte de la distance HP-oreille. Dans mon cas, il y a 4 mètres., et comme on perd 6 dB à chaque fois que l'on double la distance, il ne reste plus que 92 dB,
la puissance doit être alors portée à 16 mW pour retrouver le niveau sonore des
80 dB initiaux.
Si on considère le HP possédant le rendement le plus faible, le haut-parleur de grave, en suivant le même raisonnement on arrive à 500 mW., ce qui est encore très raisonnable.
Mais d'autres facteurs viennent encore altérer ces problèmes de rendement !
Si on peut s'accorder que le rendement annoncé de 110 dB/W/m pour un moteur de compression est à peu près juste il doit en être autrement pour le haut-parleur de grave donné pour 96 dB/W/m.
A quelle fréquence ce rendement est-il donné ? De combien est-il réellement à 100 Hz ?
Y a t'il d'autres facteurs réduisant le rendement ?
Les 500 mW annoncés/calculés sont peut-être loin du compte ! Mais pas de panique, car avec un amplificateur capable de fournir une puissance de 8W il y a encore de la marge, une douzaine de dB qui peuvent pallier aussi à des écarts de dynamique hors standard.
Sur le tableau ci-dessous, j'ai fait figurer les niveaux obtenus pour1 W à 1 mètre mais également le niveau à et 4
mètres.
Pour connaitre la puissance nécessaire pour obtenir un niveau de 80 dB à 4 mètres, on fait le chemin inverse.
Pour la compression TAD 4001, on voit que pour obtenir 80 dB à 4 mètres, il suffit de 16 mW.
Mias pour le
haut-parleur de rendement le plus faible, le grave en l'occurrence, il faut 500 mW.
Puissance et rendement