FILTRAGE ET MISE EN PHASES HAUT PARLEURS

FILTRAGE ET MISE EN PHASES HAUT PARLEURSL’objectif d’une installation HiFi est de restituer une réponse plate de 20 à 20 000Hz.

Une des solutions pour reproduire cette bande de fréquence est l’utilisation d’un HP « large bande ».

Le Haut Parleur « large bande »

Ce type de haut parleur ne nécessite pas de filtrage et de mise en phase car est conçu pour répondre à une bande de fréquence la plus large possible, il ne peut néanmoins pas descendre profondément dans le grave et n’offre pas un aigu suffisamment fin pour répondre aux exigences plus pointues que nous recherchons, voici pourquoi :

La reproduction des graves est proportionnelle à la quantité d’air que déplace le haut parleur, il faut donc beaucoup de surface de membrane et déplacement de la membrane pour « déplacer » de l’air.

Il en résulte une masse mobile importante du haut parleur, donc, une grosse motorisation pour encaisser le courant nécessaire au mouvement du haut parleur.

A contrario, il faut comprendre que la reproduction des aigus demande un choix de haut parleur dont le diamètre se réduit au fur et à mesure que l’on monte dans les fréquences.

On constate que la reproduction des aigus, s’effectue avec des hauts parleurs, dont le poids de la membrane et la taille de l’équipage mobile, est particulièrement adaptée à des vibrations hautes fréquences (5000 Hz représentant 5000 vibrations de la membrane par seconde.)

Le haut parleur large bande, tente de faire le grand écart entre l’univers des basses fréquences et celui des aigus, tout deux en oppositions des besoins mécanique que doit proposer le haut parleur…

Comme tout les hauts parleurs d’un certain diamètre à qui l’on demande de reproduire un minimum de grave, le HP large bande aura donc les problèmes suivants:

  • Une forte directivité dans l’aigu
  • Une mauvaise linéarité de réponse (pics et nochs)
  • Un hachurage important dans la montée en fréquence.

Ces problèmes augmenterons au fur et à mesure que le haut parleur aura un grand diamètre permettant de reproduire du grave.

L’usage de solution « large bande », dite « double cône » ne résolvant pas grand-chose, c’est même parfois, une solution aggravant les problèmes.

Néanmoins, le HP large bande reste compétitif aux yeux de certains audiophiles, car il ne crée pas d’interférences avec les autres hauts parleurs car il est seul à reproduire l’ensemble du spectre sonore…

Il est vrai que la solution du HP large bande est la meilleure en terme d’image stéréo et de spatialisation sonore, ce point est tellement important que lorsque l’on compare une enceinte une voie large bande (sans l’ensemble du spectre sonore et avec les défauts que l’on vient de voir) à un système 3 voies comportant des accidents de phase et des retards entre voies, l’écoute du Large Bande est plus agréable pour sa stabilité d’image sonore parfaite (dans le cas d’une acoustique de pièce correcte), c’est une bonne expérience à faire pour qui débute en DIY.

 

Le choix de plusieurs hauts parleurs spécialisés

Pour aller plus loin dans la recherche d’une une réponse plate de 20 à 20 000Hz, la bonne solution consiste à utiliser plusieurs haut parleurs spécialisés dans la reproduction de certaines fréquences, avec des paramètres TS (caractéristiques électromécanique de la partie mobile d’un transducteur) adaptés au projet.

Hélas, l’ajout de haut parleurs destinés à reproduire des fréquences différentes pose des problèmes de couplage.

Pour canaliser les fréquences d’une enceinte multivoie, il faut soumettre chaque haut parleur à un filtrage de fréquences sur cette bande passante, c’est le rôle des filtres de fréquence.

Un haut parleur de grave / médium, dont l’objectif serait une bande passante de 20 à 900 Hz doit recevoir un signal filtré au delà de 900 Hz.

Le filtre « passe bas » laisse passer les fréquences inférieures pour la voie du grave, le filtre passe haut, celle des fréquences supérieures.

La problématique d’une enceinte multi haut parleurs et multivoies, réside dans le raccord des voies aux fréquences de coupure.

Comme le montre ce schéma, les pentes de filtrage comportent une zone ou les fréquences s’entrecroisent et se trouvent orientées entre dans la voie aiguë et dans au même temps, dans la voie du grave…

 

Qu’est-ce que la phase

Pour reproduire un son de 1 Hertz, le haut parleur doit déplacer de l’air sur 1 cycle. Pendant ce cycle, la bobine déplace sa membrane sur un aller et retour.

Une inversion de phase sur le branchement de la bobine du haut parleur fait reculer sa membrane au lieu de la faire avancer.

Si 2 haut parleurs reçoivent la même fréquence à la même intensité et que l’on inverse les phases de l’un des HP, la membrane du premier HP recule, alors que celle du deuxième avance.

Les ondes émises par ces 2 HP s’annulent par cette opposition de phase à 180 degrés !! L’annulation par opposition de phase pourrait atteindre 100% (en conditions théoriques, mais c’est un peu plus complexe comme nous le verrons plus tard).

D’autre part et par nature, un filtre de fréquence fait tourner la phase du signal dans la zone de raccordement.

En plus, le filtre de fréquence génère simultanément une variation du retard entre les 2 HP autour de cette zone de fréquence… les haut parleurs ne diffusent plus le même signal au même moment… cet effet est appelé « délais de groupe« .

Ces accidents de phase et de délais de groupe sur une enceinte multivoie sont incontournables aux raccords des filtres entre HP de chaque voie et peuvent dans certains cas donner des résultats complètements catastrophiques !

On se retrouve donc par moment, avec des haut parleurs en opposition de phase, générant des trous importants dans la réponse en fréquence, localisées autour de la fréquence de coupure du haut parleur…On l’a compris… ce n’est pas bon…

Comparativement au HP large bande, si les filtres passifs sont mal réalisés, le « large bande » sera plus agréable à écouter…

 

Comment résoudre les problèmes de rotation phases et les délais de groupe ??

Les filtres passifs sont fabriqués avec des composants que sont les selfs à inductance et les condensateurs. Hélas, ces filtres passifs ne permettent pas de concevoir facilement des filtres à pente forte (pour limiter la zone de raccord qui nous pose problème) et introduiront obligatoirement des rotations de phase.

Les solutions sont multiples et variables suivant la conception générale envisagée, tout dépend de l’application visée, de la zone de fréquence considérée, de la réponse en fréquence du haut parleur lui-même.

Mais on peut retenir comme « simplification » que seul le filtre à pente de 6 dB/octave ne génère pas de rotation de phase gênante.

Par contre, de part cette faible pente de coupure, obligera à une zone de raccord très large faisant que les 2 haut parleurs à raccorder rayonnent ensemble sur le même signal… sur une bande large fréquentielle, le rayonnement de 2 haut parleurs sur des fréquences proches, entraîne un défaut important dès lors que l’on quitte l’axe vertical exact d’équidistance entre chaque HP de quelques degrés.

Au delà de ce champs d’équidistance, la réponse sera dite « hachurée ou en « peigne », avec une succession de pics et nochs de grande amplitude très audible, d’où l’idée de placer par exemple sur le même axe, les 2 hauts parleurs à filtrer, ou de rapprocher au maximum leurs centres (haut parleurs coaxiaux).

Ce point est importants, les centres émissifs des haut parleurs doivent être toujours le plus proche possible les uns des autres.

L’autre problématique du filtrage à 6dB de pente réside dans le fait qu’il n’atténue pas de façon suffisante de l’énergie des fréquences inférieures sur la voie supérieure et ne protège pas par exemple un haut parleur d’aigu de fréquences trop basses, ce qui génère des distorsions et même le risque de « casse » des haut parleurs si l’installation est un peu « poussé » en demande SPL.

Il faut donc, en cas d’utilisation de ce type de filtre à pente douce, couper très en amont de la fréquence la plus basse admissible par le composant, exemple pour une compression 1 pouce, coupure à 4 kHz ou  un « super tweeter  » à plus de 10 kHz…

 

Les filtres passifs à pentes plus fortes

La mise au point d’un filtre de ce type demande un nombre de composants proportionnellement élevée à mesure que l’on souhaite une pente raide, 24dB de pente étant la limite maximale espérée avant que le signal ne soit réellement altéré par un passage obligé dans ces composants « lourds ».

En moyenne les filtres passifs rencontrés ont des pentes de l’ordre de 12/18 ou 24 dB et de type divers (Butterworth / Bessel / Linkwitz ..Etc.)…

Un point extrêmement important dans la conception d’un filtre est d’intégrer dans son calcul, la pente propre du transducteur. En simple si le HP d’aigu à une chute naturelle de sa réponse en dessous de 2000 Hz à 12 dB octave, un filtre de 12 dB/Oct. donnera une pente finale de 24 dB octave (en principe de type LR, mais dépendra de la forme de la chute de réponse du composant).

La réalisation d’un filtre passif est d’autant plus complexe car tout les calculs théoriques, d’après des valeurs d’impédances des composants sont erronés, car un transducteur n’est pas un élément à fonction de transfert linéaire, de part son comportement en impédance, en amplitude et en directivité.

Un filtrage qui « marche » est le fruit de mesure du transducteur « avant » suivi de modélisation mathématique puis de nouvelles mesures après la réalisation du filtre, c’est le non respect de cette approche qui conduit à des réponses en fréquence catastrophiques, avec de gros accidents de phase sur certaines enceintes multivoies rencontrées à droite et à gauche.

De plus, le filtre passif à pente raide demande des composants dont les valeurs résistives rendent tout projets de filtrage passifs irréalistes, dès lors que l’on veut couper des fréquences basses, 150/200 Hz étant une limite qu’il sera compliquée de franchir, même à 6dB de pente.

On le constate vite, le filtre passif pose problème, les accidents de phases et de délais étant importants autour de la fréquence de coupure. Ces problèmes sont manifestement très compliqués à contourner.

De plus, on le voit, l’ application d’un filtre passif dans les basses fréquences est impossible dans le cadre d’un projet « haute performance » moderne, incluant une bonne gestion les infrabass.

 

Le filtrage actif

Une solution alternative au filtrage passif existe, plus souple et plus « facile » : le filtrage électronique par DSP, que l’on appel « filtrage actif ». C’est de nos jours la solution universellement adoptée dans toutes les applications qualitatives privées ou professionnelles en audio (cinéma /.studio / monitors haut de gamme / théâtre / concerts etc.)

C’est aussi celle que nous adopterons dans le cadre d’un système performant.

Le filtrage électronique où filtre actif permet de couper numériquement les fréquences du signal au travers d’un DSP. On trouve généralement plusieurs sorties sur ce type de filtre (de 4 à 12 ou plus dans certains cas) donc de quoi réaliser un filtre stéréo en HiFi multi amplificateurs, ou 3 canaux en Home Cinéma.

Ces filtres sont entièrement configurables en entrée et en sortie, on peut par exemple faire un 2×3 voies ou un 3×2 voies ou un 2×2 voies plus 2 voies subs etc… avec un simple filtre actif à six sorties et 3 entrées.

Chaque sortie sera envoyée sur 1 amplificateur différent, soit dans l’exemple de 2×3 voies à 6 canaux d’amplis, chacun des canaux d’amplis étant reliés à un HP spécialisé dans une bande de Fréquence.

En simple: un ampli de grave / un de médium et un d’aigu.

 

Les avantages du filtrage actif

  • Avec un filtre actif, les pentes de coupures peuvent être très fortes et d’ordres variables (6 à 48 en général, plus sur certains) de plusieurs types ( Butt/ Bessel etc. ) .. / mixables / ajustables en fréquences avec précision.
  • Avec un filtre actif, il n’y à plus de limite de passe bas pour la gestion du grave, même à très forte pente.
  • Avec un filtre actif, il n’y à plus non plus de composants passifs lourds sur le chemin du signal entrant dans les haut parleurs (selfs, condensateurs, résistances).
  • Avec un filtre actif, on peut régler avec précision le niveau de chaque transducteur, de gérer leurs alignements temporels (décalage mécanique dû à leurs dimensions différentes, d’agir même sur la phase etc).

De plus ces mêmes filtres incluent des égaliseurs paramétriques très précis permettant d’égaliser chaque transducteurs séparément.

C’est donc la solution ultime pour résoudre les problèmes de filtrages, de phases et de délais de groupes entre haut parleurs spécialisés.

 

Les deux grands types de filtrage en numérique

Les deux grand types de filtres actif en audio sont les IIR (Infinite Impulse Response) et les FIR (Finite Impulse Response).

  • Les filtres IIR (Infinite Impulse Response) : Ces filtres constituent la majorité des filtres actifs du marché. Ces filtres, comme les filtres passifs, influent encore sur la phase aux fréquences de coupures en fonction des pentes choisies, mais en contrepartie sont simples d’emploi et très souples, c’est celui que nous utiliserons dans nos systèmes.
  • Les filtres FIR (Finite Impulse Response) : Il y a plusieurs types de FIR dont des FIR dit à phase linéaire, qui eux ne font pas tourner la phase.

L’usage des filtres « FIR phase lin » à très fortes pentes demandent une grande expérience car leurs approches est très lourdes et complexes, le filtrage en FIR travaille dans le « temporel ».

Le filtre actif en FIR utilise pour cela un traitement complexe et crée et un délai sur l’ensemble du signal.

Ce délai n’est pas gênant tant qu’il n’y a pas d’image. Les filtres FIR à phases linéaires demandent beaucoup de puissance de calcul et ne sont pas exempt de défauts s’ils sont mal conçus.

D’autre part, ces filtres impliquent évidemment des contraintes au niveau des transducteurs et de la conception générale de l’enceinte pour conserver l’avantage de la non rotation de phase.

Ces filtres permettent pour certains haut de gamme (ou sous PC) de générer des pentes ultra fortes (200/300 dB /oct) très avantageuses mais entraînant des contraintes encore plus spécifiques côté transducteurs.. (Ce point étant négligé par quasi tout les amateurs). En clair, ces filtres peuvent être de qualité finale très variables en fonction de la mise en oeuvre globale très technique.

Dans le monde de l’audio professionnel, seule une ou deux marques de filtres FIR sont réellement présentes.

Les plus grandes marques d’enceintes pros en concert et quelques rares monitors de studios très hauts de gamme usent du FIR, mais dans 99% des cas, le filtre est « propriétaire  » et n’offre aucune accessibilité.

On peut également réaliser des filtres « mixtes » mélangeant IIR et FIR phase lin et même introduire numériquement une correction de la réponse de phase réelle sur un IIR ou sur un FIR Phase lin (déduite de mesures réelles multiples).

Il va sans dire que ces approches sont très lourdes et complexes, certains softs sur PC permettent également de le faire, mais très souvent, l’électronique associé ne « suis » pas, parfois le fonctionnement, la stabilité et performances réelles ne sont pas au rendez-vous.

La tendance actuelle dans le monde professionnel haut de gamme, est d’user d’amplis de puissance intégrants directement les filtres FIR (par exemple LABgruppen / Powersoft /Crown et quelques autres). Cette approche est la solution ultime, mais hélas, elle est très chère.

On le constate, les filtres FIR sont très techniques pour une utilisation en DIY. L’usage des filtres FIR phase lin à très fortes pentes demandent une trop grande expérience et sont d’une manière générale, réservé au monde pros.

 

Quel filtre choisir

Bien évidement, le filtre actif IIR est le bon choix. Dans ces filtres, le choix est vase. Des références comme le Beringher DCX 2496 dans les premier prix ou le BBS 366 plus haut de gamme (plus fabriqué mais très bon).

On rencontre également les XTA (très bons)/ LAKE (la Rolls actuelle car il fait FIR et IIR et dispose de possibilités énormes)/ DBX (bon) etc…

Tout ces filtres actifs possèdent en interne, d’autres composants comme les DAC, des modules de gestions de délais, de fonctions d’égalisations par voies, de fonctions de limiteur, etc…

 

On attaque le filtre actif en numérique ou en analogique ?

Dans le filtre numérique, il peut être intéressant de traiter numériquement le signal de la source jusqu’au DAC en rentrant le signal directement en numérique dans le filtre, mais attention… ce qui est pris par beaucoup comme un « plus  » peut se révéler être un « moins ».

Rappelons l’ordre d’importance des choses et ne confondons pas tous les sujets :

  • Les machines numériques comme les DSP ou les DAC ne travaillent pas aux fréquences de sampling du CD ni au même quantize, soit 16Bits/44 khz pour le CD.
  • Ces machines numériques travaillent dans tout les cas en 24Bits/48 khz, en 24/96 khz voir en 24/192 khz !

Ce qui impliquera, en cas d’entrée en numérique ne travaillent pas aux fréquences multiple de sampling, une conversion de F sample (appelée SRC) très destructive… Entrer en numérique est souvent plus « destructeur » que de le faire en analogique par une conversion supplémentaire.

Par contre avec des sources en 24/48 ou 24/96 ou 24/192 on pourra le faire sans problèmes à condition de ne pas traiter le format du CD très répandus en 16Bits/44 khz.

Le « gain » qualitatif d’une entrée numérique peut toutefois être considéré comme « intellectuel » si le système est bien réglé en analogique. La qualité des DAC actuels intégrés dans ces filtres actifs modernes permettent des conversions Analogique / Numérique d’une telle qualité, que le seul risque couru est celui de ne rien entendre de perceptible en test ABX sur un comparatif « entré numérique » contre « entrée analogique ».

 

Conclusion

On le voit, le filtre actif est un excellent outil pour régler nos problèmes de filtrages, de phases, de délais, mais aussi d’égalisations par haut parleurs.

Ce type de filtre (DCX, BBS, XTA, LAKE), pourrait être exploité en analogique derrière un préamplificateur de type « Home Cinéma », permettant une grande polyvalence de gestion des différentes sources modernes aux différents formats de débits, de codecs. Ces « préamp »  proposent tous les choix de configurations en HiFi ou Home Cinéma… Les préamplificateurs de HiFi, même haut de gamme, ne proposent en fait rien de plus que ce du monde HC, si c’est n’est l’impossibilité de ne rien faire d’autre…

 

Un petit appareil comme le DCX 2496 de chez Behringer, peut être suffisant  pour effectuer convenable le travail et ce, pour un bon rapport qualité/prix.

Avec un budget plus élevé, la qualité sera sensiblement meilleure, mais sans doute assez difficilement perceptible dans des pièces non traitées acoustiquement.

Il y a des endroits dans cette chaîne d’éléments matériels ou l’investissement sera plus important que sur ce sujet de filtres et des DAC (et qui déchaîne tant les passions).

L’acoustique de la pièce en est un, le placement de la zone d’écoute et des enceintes en est un autre.

 

Le choix des composants des enceintes et surtout les réglages généraux sont des critères fondamentaux ou il peut être utile de mieux dépenser son temps et son argent pour espérer un bon résultat final.

On le voit, dans une chaîne HiFi, tout n’est que question de compromis !

 

Article rédigé avec l’aide indispensable de THXRD, merci à lui !

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