Réflexions

Approche analogique et/ou numérique

Introduction

Pour ceux qui ne sont pas très familier avec la technique il est bon de préciser certaines choses.

Une enceinte 3 voies

Un haut-parleur fonctionnant seul n'a pas la possibilité de fonctionner correctement dans les hautes fréquences : les aigus, ni celle de de descendre avec suffisamment d'efficacité et de qualité dans les fréquences basses : les graves.
Avec deux haut-parleurs (on ajoute généralement un autre haut-parleur (tweeter) de plus petite taille pour renforcer les aigus) les résultats s'améliorent beaucoup et l'on trouve beaucoup d'enceintes de ce type dans le commerce qui fournissent des résultats d'écoute très corrects.
Mais pour ceux qui souhaitent un résultat sonore fournissant une image plausible de ce que l'on écoute, les amateurs ajoutent un troisième haut-parleur, généralement de grand diamètre, celui-ci spécialisé dans les graves donnant ainsi une solide assise sonore au message musical.
Avec un seul haut-parleur dans l'enceinte, pas de problème de raccordement à un amplificateur, la liaison est directe. Mais dès que l'on a affaire à plusieurs haut-parleurs spécialisés dans un registre (aigu, medium ou grave), il faut filtrer le message musical afin de ne pas envoyer des sons graves dans un haut-parleur qui ne pourra supporter cela et n'est pas prévu pour fonctionner au-dessous d'une certain fréquence, cas d'un tweeter. L'inverse est vrai aussi mais sans danger pour le haut-parleur de grave qui recevra dans ce cas des sons à fréquences élevées.
Il faut donc FILTRER et il est possible de filtrer de deux façons : filtrage passif ou filtrage actif Le filtrage passif consiste à insérer dans l'enceinte un ensemble de composants (selfs, condensateurs, résistances) pour "trier" le signal venant de l'amplificateur et aiguillier les hautes fréquences vers le haut-parleur concerné (tweeter), les basses fréquences vers le haut-parleur de grave et les sons moyens (medium) vers le haut-parleur de diamètre intermédiaire.
Le filtrage actif est également un ensemble de composants associés à des éléments dits "actifs" (tubes, transistors, circuits intégrés). Il n'est pas intégré dans l'enceinte et ne se branche pas sur les sorties "HP" des amplificateurs mais sur la sortie "enregistreur" d'un amplificateur, s'il s'agit d'un amplificateur dit "intégré" ou entre la sortie d'un préamplificateur et l'entrée d'un amplificateur selon le cas. On parle de filtre actif analogique. Dans ce cas, le réglage du volume se fait en sortie du préamplificateur, un réglage de niveau est quasiment indispensable à l'entrée de chaque amplificateur (surtout s'il ne sont pas identiques) et pour faciliter le réglage du niveau sonore d'un haut-parleur par rapport aux autres. C'est ce qui est représenté ci-dessous.

Approche analogique

Multi-amplification : Synoptique de l'approche analogique

Le schéma est simple, le réglage global du volume du système est assuré par le préamplificateur. Si une source numérique est raccordé au système, la conversion numérique/analogique se fait soit au niveau de l'appareil numérique connecté (lecteur CD et/ou DVD) ou par le préamplificateur lui-même.

Approche numérique

Un autre moyen d'assurer le filtrage est d'utiliser un filtre actif numérique.

Approche semi-numérique !!!

Multi-amplification : Synoptique de l'approche semi-numérique

Ca se complique un peu !
Toutes les sources (analogiques et/ou numériques) sont reliées au préamplificateur :
- Les sources analogiques sont connectées via des cordons/fiches RCA standards. Le réglage de volume est dans ce cas assuré par le préamplificateur.
- Les sources numériques sont connectées via des cordons optiques ou coaxiaux et le réglage de volume peut alors être réalisé directement au niveau de l'élément connecté au préamplificateur (*) ou par le préamplificateur.
* (En principe tous les lecteurs CD ou DVD possèdent leur propre réglage de volume accessible généralement par leur télécommande).
Il y a plusieurs inconvénients à fonctionner de la sorte :
- Il y a plusieurs conversions sur le trajet du signal : une première dans le préamplificateur, une deuxième dans le convertisseur et une dernière en sortie de filtre. Ca fait beaucoup et ça s'entend !
- Les appareils Behringer sont issus du monde professionnel, leurs niveaux de fonctionnement sont très différents. En sortie d'un préamplificateur "amateur" les signaux sont de l'ordre de 1 volt tandis qu'il faut près de 10 volts pour attaquer correctement un appareil professionnel. Il faut donc augmenter le signal en entrée et le diminuer en sortie dans les mêmes proportions sous peine de souffle et de distorsions importantes.

Plusieurs solutions existent :

Réaliser un petit amplificateur de gain 10 à l'aide d'ampli OP faible bruit,
Acheter un amplificateur (linéaire) en kit ou monté, ou, comme dans mon cas,
faire reprendre du service à la partie linéaire d'un préamplificateur Kanéda réalisé il y a plusieurs années dont le gain est précisément de 20dB.

En sortie, il faut réaliser l'opération inverse et réduire le niveau de 20dB. Un simple pont diviseur (2 résistances) fait l'affaire.

Le filtre actif numérique Behringer DCX2496 permet d'ajuster les niveaux de sortie attaquant les amplificateurs pour faciliter le réglage du niveau sonore d'un haut-parleur par rapport aux autres.

Approche numérique

Multi-amplification : Synoptique de l'approche numérique bancale

Pour les sources numériques, il n'y a plus d'intervention sur le signal jusqu'à la sortie du filtre. Mais pour les sources analogiques, il faut toujours prévoir l'adaptation du niveau de sortie du préamplificateur au niveau requis par le filtre. Le signal disponible à la sortie du préamplificateur étant de l'ordre de 1 volt (0db = 0,775V), il faut lui appliquer une amplification en tension de 10 (20dB) pour faire fonctionner correctement le filtre.
Remarque : Mon système est équipé d'un convertisseur/sélecteur de sources Behringer SRC2496, mais le problème de l'adaptation du niveau reste identique. Il est cependant possible de se passer d'amplification en entrée su SRC2496, tout dépend du niveau du signal disponible en sortie du préampli.
Le gros problème que pose cette configuration est que le réglage du volume, lors de l'utilisation de sources numériques, DOIT impérativement être faite au niveau des sources elles-mêmes ce qui peut réserver quelques surprises si ce réglage est réinitialisé au maximum à chaque mise sous tension, les amplificateurs délivreront alors toute la puissance dont ils sont capables !!!
Remarque : Peu de lecteurs CD/DVD permettent de faire varier le niveau d'une sortie numérique.
Approche numérique avec modification de l'étage de sortie du filtre numérique.
Je ne rentre pas ici dans les détails de l'opération (voir le chapitre dcx2496).
Il s'agit d'une modification de l'étage de sortie de cet appareil qui consiste à supprimer l'ensemble des circuits formatant les signaux de sortie au standard professionnel sur fiche XLR. Après modifications, les sorties se font sur fiches RCA avec des niveaux de signaux compatibles avec le matériel Hi-Fi grand public.

Multi-amplification : Synoptique de l'approche numérique

Un nouveau problème apparaît.
Lors d'utilisation de sources numériques le préamplificateur ne fonctionne plus qu'en sélecteur de sources mais il faut quand même pouvoir régler le niveau sonore. Certes, comme je le précisais ci-dessus, les lecteurs de CD/DVD possèdent généralement un réglage de niveau accessible au niveau de leurs télécommandes, mais curieusement certains lecteurs réinitialisent le niveau au maximum après une opération marche/arrêt et si l'on n'y prête pas attention, l'ensemble de la chaîne fonctionne à son maximum ! Gare aux oreilles et aux voisins !

Réglage simultané du volume

C'est la solution la plus aboutie mais également la plus ardue à réaliser. (Voir le chapitre realisations) Premiers réglages

J'ai adopté les réglages fréquentiels préconisés par Jean-Michel Le Cléac'h, à savoir :
> Passe-bas coupé à 0.873 x F
> Passe-haut coupé à 1.146 x F
> Les filtres PH et PB doivent être mis en opposition de phase.
J'ai choisi les fréquences de coupures suivantes : 499 Hz et 6030 Hz. (Ces valeurs un peu bizarres sont celles disponibles sur le filtre Behringer)
On obtient donc les fréquences suivantes :
Passe-bas; 436 Hz (438 Hz)
Passe-bande
572 Hz (568 Hz)
Haut 5264 Hz (5190 Hz)
Passe-haut 6910 Hz (6860 Hz)

La mise en phase des haut-parleurs

Toute opération de filtrage entraîne des rotations de phase.
Si on considère le cercle trigonométrique,
un filtre à 6 dB/octave entraîne un écart de 45°
un filtre à 12 dB/octave entraîne un écart de 90°
un filtre à 18 dB/octave entraîne un écart de 135°

Cet écart se traduit en avance ou en retard selon que le signal traverse un filtre passe-haut ou un filtre passe-bas.
Ces écarts se traduisent par des baffles en marche d'escalier, le HP grave étant au premier plan et le tweeter en position de retrait. Ces écarts sont plus ou moins respectés par les constructeurs notamment entre tweeter et medium mais rarement entre medium et grave.

Comment calculer ces décalages physiques ?

Remarque : On suppose que les centres acoustiques ou émissifs des HP utilisés sont connus.
Calcul de la longueur d'onde correspondant à une fréquence donnée (L = V / F , V = vitesse du son : 344 m/s)
Je pars des fréquences choisies initialement (499 Hz et 6030 Hz)
L = 344/499 = 0,689 m soit 69 cm
L = 344/6030 = 0,057 m soit 5,7 cm

Le filtre retenu est du type Butterworth d'ordre 3 (18 dB/octave). Ce filtre entraîne un écart de phase de 135°.
Comme une fréquence de coupure est commune aux filtres passe-haut et passe-bas et que les écarts sont de signes opposés, l'écart est double soit 270°.
Une période étant représentée sur 360°, on voit que l'écart engendré par les filtres représente les 3/4 de la période.
A 499 Hz, la période (1/F) est de 0,002004 seconde soit 2,004 mS.
Les 3/4 de cette période valent donc 1,503 mS pendant lequel le son aura parcouru : 344 x 0,001503 = 0,517 m soit 51,7 cm.

C'est ce décalage qu'il faudrait appliquer entre un HP medium et un HP grave pour que les signaux soient en phase, le son issu du HP medium parcourant 51,75 cm avant que le HP grave ne commence à émettre lui-même un son.
La même démarche s'applique entre le HP medium et le tweeter, mais les distances sont beaucoup plus faibles puisque les fréquences sont plus élevées et les longueurs d'ondes correspondantes plus faibles. A 6030 Hz, le décalage est de 1,425 cm. (on voit plus fréquemment des décalages de cet ordre sur les réalisations commerciales).

Mise en phase des hauts-parleurs branchés en phase

L'inversion de phase du passe-bande (Medium)

Il est souvent préconisé d'inverser la phase du circuit lié au medium (dans une configuration 3 voies).
Cette inversion équivalente à une rotation de phase de 180° peut être réalisée au niveau du HP lui-même (ou de la sortie de l'amplificateur sur lequel il est connecté) ou directement sur le DCX, ce qui est plus simple.
La phase résultante est alors de 90° (270°-180°) et le décalage peut être réduit puisqu'on ne considère plus que le 1/4 de la période.
A 499 Hz, 2,004 mS x 1/4 = 0,5 mS.
En 0,5 mS le son aura parcouru : 344 x 0,5 = 0,172 m soit 17,2 cm.
C'est ce décalage qu'il faudrait appliquer entre le HP grave et le HP medium pour obtenir une réponse impulsionnelle acceptable, au-delà des caractéristiques des HP qui sont un autre sujet.
La même démarche s'applique entre le HP medium et le tweeter.

Mise en phase des hauts-parleurs phase du medium inversée

Conclusions (provisoires)
Cette démarche est à rapprocher de celle de JM. Le Cléach qui, pour une fréquence de coupure de 450 Hz trouve un décalage de 19 cm.
Avec le filtre numérique Behringer DCX2496, il n'est peut-être pas utile d'inverser de 180° la phase du passe-bande (Medium) puisqu'il est possible de régler les retards des Hp les uns par rapport aux autres. A voir.
Je complèterai cette démarche par quelques petits schémas ultérieurement, mais ceux qui auraient lu ma prose jusqu'ici peuvent me faire part de leurs réactions sur ce sujet qui n'est pas si compliqué dans son concept mais qui n'est pas facile à décrire simplement.

17 juin 2009

Un réglage aux effets surprenants

La lecture du chapitre "8.5 Séparation des fréquences" du livre de Francis Ibre "Bien entendu, itinéraire d'un audiophile" m'a fait remettre en cause deux idées.
La première est que ce que j'ai appelé jusqu'à maintenant "Mise en phase des haut-parleurs" est erroné. Il faut parler de calage temporel, ce qui est très différent car ce principe ne vise qu'à obtenir un démarrage correct des HP en fonction du retard électrique apporté par le filtrage. Le problème de la variation de phase en fonction de la fréquence, est lui, toujours là !
La deuxième est que lorsqu'on possède un filtre actif numérique doté de la possibilité de régler des retards, il devient inutile d'inverser la polarité du haut-parleur chargé de reproduire le medium puisqu'il est tout-à-fait possible de régler un retard même si celui-ci est très important. J'ai donc essayé.
Le filtre est Butterworth d'ordre 3 pour toutes les fréquences de coupure (300 et 3000 Hz). Les décalages sont calculés sur la base d'une vitesse du son égale à 344 m/S. Tous les HP sont connectés "en phase" (Le + de la sortie des amplis sur le + des HP).
Je suppose que les amplificateurs que j'utilise n'inverse pas la phase des signaux entre entrée et sortie. (je vérifierai cela plus tard !)
Enfin, le réglage des fréquences de coupure tient compte des préconisations de Jean-Michel Le Cléach qui consistent à les écarter. Les fréquences sont donc :260-345 pour la coupure grave-medium et 2620-3390 pour celles du medium-aigu.

Calage temporel des HP

J'allume le système, je mets en chauffe et j'écoute.
Stupéfaction ! Je me demande si je ne rêve pas ! Je trouvais que mon système sonnait pas mal, mais j'avais jusqu'ici toujours ressenti une petite gène qui me faisait dire c'est pas mal, mais ...
Là, les premiers mots qui me sont venus à l'esprit sont : Harmonie, cohérence, plénitude. La scène sonore semble s'être élargie et plus nette. Les attaques me semble plus franches, j'ai même l'impression d'avoir gagné en dynamique. J'ai tendance à pousser le volume au-delà du raisonnable. Difficile à traduire par des mots puisque je suis dans le domaine subjectif.
J'hésite toujours à faire part rapidement des mes impressions suite à des modifications, mais là, le résultat est bluffant.
Dans l'annexe de son bouquin (A5. Une théorie plus réaliste, p 355), Francis Ibre, revient sur le calage temporel et la méthode qu'il utilise pour vérifier et affiner ces réglages par l'obtention d'un signal carré montrant le résultat d'un calage temporel correctement effectué. Je vais vérifier rapidement pour savoir si je n'ai pas rêvé !
A suivre...