Enceinte audio

Une enceinte est une caisse souvent en bois dans laquelle sont fixés un ou plusieurs haut-parleurs, permettant la reproduction acoustique du son à partir d’un signal électrique produit par un amplificateur audio¹.

On désigne souvent l’enceinte par le terme anglais de baffle². Cette appellation est une métonymie (la partie pour le tout) puisque le baffle désigne en réalité le support plan, plaque en bois ou en plastique le plus souvent, sur lequel est fixé le haut-parleur, et non l’enceinte dans sa totalité. Le baffle permet d’éviter que les ondes sonores émises par l’arrière du haut-parleur ne viennent interférer, voire annuler, les ondes sonores émises par l’avant du haut-parleur.

Il existe une multitude de types d’enceintes acoustique correspondant d’une part à des usages très variés et d’autre part à des niveaux de qualité différents. Les enceintes étant normalement le maillon faible de la chaîne de restitution sonore, elles sont largement l’élément qui déterminera le résultat obtenu. L’usage que l’on souhaite en faire est donc primordial : sonorisation, monitoring, haute fidélité, loisirs. Le genre musical n’a, contrairement à une idée reçue trop largement répandue, rien à voir avec l’enceinte à choisir : une enceinte de bonne qualité doit être capable de restituer correctement n’importe quel type de son. Cela fait même partie des critères et techniques de sélection d’une enceinte³.

En revanche, sauf compétences particulières, il faut éviter de faire un choix sur des caractéristiques techniques que l’on ne maîtrise pas. Il existe une multitude de techniques, plus ou moins élaborées, pour réaliser une enceinte acoustique et leur évaluation est difficile. Mieux vaut donc s’attacher au résultat audible, même si ce mode d’évaluation recèle aussi de nombreux pièges.

Principes de base

Pour reproduire correctement l’ensemble du spectre audible un seul haut-parleur se révèle trop peu performant. On est donc conduit à utiliser plusieurs haut-parleurs dans une même enceinte acoustique. Chacun est spécialisé dans une partie du spectre audible : grave, médium, aigu. Chaque division du spectre est appelé voie, la division étant réalisée par un filtre : on obtient ainsi des enceintes deux voies (deux haut-parleurs) ou trois voies (trois haut-parleurs). Il peut exister un plus grand nombre de voies (quatre ou plus) mais ces formules complexes sont rares. Inversement, on trouve des enceintes n’utilisant qu’un seul haut-parleur même si les performances sont alors limitées. Il faut remarquer que le nombre de haut-parleurs et le nombre de voies ne sont pas forcément identiques : par exemple une enceinte peut utiliser plusieurs haut-parleurs (généralement identiques) pour la restitution d’une voie. Cette technique est souvent utilisée pour la restitution du grave afin de limiter l’encombrement de l’enceinte.

L’autre grand principe de conception des enceintes concerne la reproduction du grave. Si un haut-parleur est utilisé seul, lamembrane 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 pression 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, et cela d’autant plus que la fréquence est basse, elles s’annulent. C’est le phénomène dit du court-circuit acoustique. Il est donc nécessaire de supprimer (ou du moins de gérer au mieux) les vibrations arrières. Dans la pratique, on appelle charge acoustique la façon dont on va gérer ce problème. La solution théorique idéale consistant à fixer le haut-parleur sur un « baffle infini », c’est-à-dire une plaque de très grande dimension, étant impraticable, les spécialistes ont trouvé une multitude de manière de le faire⁴.

Principaux types de charge acoustique

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 (VB) 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 plate quand le paramètre QTC = 0,707. 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.

Enceinte bass-reflex

Elles sont facilement identifiables grâce à leur évent. Elles sont construites 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.

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 faible. 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.

Il existe une série de logiciels pour ordinateur personnel qui facilitent 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.

Enceinte à radiateur passif

C’est une variante du bass-reflex qui utilise un haut parleur de basses démunie de moteur (bobine et aimant) à la place de l’évent. Le terme exact est « radiateur passif » ou « radiateur auxiliaire ».

La membrane du haut parleur passif agit de la même manière que l’évent d’une enceinte bass-reflex pour les fréquences basses (résonance à une fréquence précise) mais n’émet pas les fréquences moyennes, grâce à la masse de la membrane passive et la raideur de la suspension⁵.

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 membranes sur un haut-parleur 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.

Charge passe-bande

La charge passe-bande, dite aussi charge symétrique ou parfois charge Kelton, consiste à utiliser une enceinte munie d’une paroi interne, divisant le volume interne en deux, sur laquelle est montée le haut-parleur. Ce dernier est donc soumis à une charge acoustique aussi bien sur sa face avant que sur sa face arrière. Généralement le volume se trouvant sur sa face avant comporte un évent et c’est par cet évent que s’effectue l’émission sonore. Le volume arrière est presque toujours clos mais des formules plus complexes sont possibles⁶.

Typiquement ce type d’enceinte présente une réponse similaire à celle d’un filtre passe-bande, d’où son nom. Elle est assez fréquemment utilisée pour les caissons de grave car elle offre un filtrage acoustique naturel rendant moins nécessaire un filtrage électronique. Elle a aussi l’avantage, le haut-parleur se trouvant sur une paroi interne, de protéger totalement ce dernier d’un accident (coup, liquide ou autre).

Enceinte ouverte

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/(2L). 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 a 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.

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 à pavillon(s)

Quand on veut que sa voix porte loin, on met ses mains en entonnoir devant sa bouche. On réalise ainsi un pavillon.

Le principal intérêt du pavillon est d’améliorer le couplage avec l’air ambiant et donc l’efficacité. 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 restaient 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. C’est toujours le cas de nombre d’installations sonores pour cinémas.

Aujourd’hui certains systèmes de sonorisation sont toujours munis de pavillons, même si des techniques plus élaborées ont vu le jour.

En haute fidélité, 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 équipés 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 haut-parleurs d’aigus, ce principe est utilisé par certaines enceintes. On voit aussi des utilisations en sonorisation pour améliorer l’efficacité et contrôler la directivité.

Types d’enceintes

Enceinte coaxiale

Le terme est incorrect dans le cas d’un bafflage plan. C’est une enceinte qui utilise un haut-parleur coaxial. Ce type de haut-parleur intègre un haut-parleur d’aigu au centre du haut-parleur principal : ainsi on évite certains problèmes de déphasage dus à l’éloignement de deux sources sonores et, plus généralement, ce type d’enceinte est censé assurer une meilleure cohérence de la diffusion. La marque anglaise Tannoy a été la principale initiatrice de ce principe aujourd’hui utilisé par de nombreux fabricants d’enceintes acoustiques professionnelles comme L-Acoustics, APG, etc. Il est également présent dans le monde de la haute fidélité, chez Tannoy et Kef par exemple⁷.

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.

Enceinte satellite

Le terme se rapporte à des enceintes acoustiques (généralement de petite taille) conçues pour être utilisées (en principe exclusivement) en association avec un élément principal, généralement un caisson de grave. Le terme vient de la comparaison avec un satellite qui tourne autour d’un astre dont il dépend. Ce système est largement employé aussi bien dans le monde de la haute-fidélité que de la sonorisation, du home cinéma et des enceintes multimédia pour ordinateurs. Le système peut être passif (par exemple les Acoustimass de Bose ou la color 1.2.3. de Triangle), amplifié ou à filtrage actif (électronique) et multi-amplifié. On parle de système acoustique 2.1 (deux enceintes satellites, un caisson de grave) ou, par exemple, 5.1 (cinq satellites, un caisson de grave). Il ne faut pas confondre la configuration du système acoustique et le nombre de canaux audio de la source : un système 2.1 est généralement utilisé pour restituer une source stéréo (deux canaux).

Enceinte colonne

Comme son nom l’indique, une enceinte colonne est un modèle beaucoup plus haut que large destiné à être posé directement sur le sol. C’est une formule particulièrement intéressante et, dès lors, largement utilisée pour la haute fidélité. En effet, une enceinte classique demande à être posée sur un support (support spécial, meuble, etc.) afin que l’émission sonore du haut-parleur de grave ne soit pas perturbée par la proximité du sol et que les haut-parleurs de médium et d’aigu se trouvent sensiblement à la hauteur des oreilles des auditeurs. Dans une telle configuration, le volume se trouvant entre l’enceinte et le sol est souvent perdu. L’idée de l’enceinte colonne est d’utiliser ce volume pour augmenter celui de l’enceinte sans que son encombrement augmente. Ce sont généralement les modèles qui offrent le meilleur rapport entre l’étendue et l’ampleur de la restitution du grave et l’encombrement. Il n’y a plus également à se soucier de trouver un support adapté.

Enceinte bibliothèque

L’enceinte bibliothèque (bookshelf en anglais) est un modèle de petite taille destiné, comme son nom l’indique, à être placé sur les rayons d’une bibliothèque. Elle a l’avantage d’être prévue pour un environnement acoustique bien défini (contre un mur) ce qui permet, au moins en théorie, au constructeur d’optimiser son fonctionnement. Ce type d’enceinte est particulièrement adapté aux pièces d’écoute de volume réduit comme on en trouve dans de nombreux appartements urbains.

Autres

Les types d’enceintes acoustiques cités ne sont que les plus courants. L’imagination des ingénieurs, techniciens et fabricants est presque sans limite et on peut rencontrer une multitude de réalisations plus ou moins originales et surprenantes.

Utilisation d’enceintes

Enceintes actives, amplifiées et multi-amplifiées

On entend par enceintes actives (terme discutable) les enceintes qui utilisent un filtrage électronique (ou numérique si le flux audio entrant est un flux numérique) suivi d’un ou plusieurs amplificateurs de puissance au lieu du schéma classique où l’amplification précède le filtre passif (généralement logé dans l’enceinte). Les enceintes actives peuvent être amplifiées ou non, ce qui signifie que l’amplification peut être intégrée dans l’enceinte ou se trouver à l’extérieur. Dans la pratique, on parle le plus souvent d’enceintes amplifiées, bi-amplifiées (filtre actif deux voies) ou tri-amplifiées (filtre actif trois voies). En précisant si l’amplification est intégrée ou non dans l’enceinte.

Dans bon nombre de domaines, les enceintes actives, alimentées par le secteur et intègrant l’amplificateur de puissance, sont devenues la règle. C’est en particulier le cas pour les enceintes multimédias destinées auxordinateurs et les moniteurs (écoute) de studio, mais ce principe est de plus en plus utilisé dans tous les domaines du son professionnel.

Des systèmes d’enceintes actives sans l’amplification interne existent. Une enceinte active n’est donc pas automatiquement amplifiée, c’est le cas de nombreuses enceintes professionnelles où filtrage électronique et amplification sont logés dans des racks raccordés à l’enceinte par des connecteurs spécifiques afin d’éviter toute erreur. La signification de « actif », est relative au niveau du filtrage des différentes bandes de fréquences. Une enceinte passive reçoit un signal sonore amplifié, son filtre constitué de composants électroniques passifs (bobines d’auto-inductance, condensateurs et résistances), sépare les fréquences entre les différents haut-parleurs : c’est un filtrage passif, le filtrage a lieu après amplification.

Le filtrage actif, au contraire, s’insère avant l’amplification ce qui offre une bien meilleure souplesse (le filtrage peut être modifié à volonté en fonction des besoins) et évite les pertes se produisant dans un filtre passif.

Dans la majorité des enceintes actives, nous trouvons donc une bi-amplification ou tri-amplification du son (pour une enceinte à deux voies ou trois voies). Un filtre actif sépare les fréquences du signal puis les envoie vers les amplificateurs séparés respectifs (par exemple : fréquences aigües 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. Signalons que la bi-amplification (plus rarement la tri-amplification) peut aussi être réalisée de façon passive : chaque amplificateur est suivi d’un filtre passif, lui-même raccordé à un haut-parleur de l’enceinte. Un certain nombre d’enceintes haute fidélité offrent cette possibilité en divisant le filtre passif intégré en deux branches (passe-haut et passe-bas) : ces enceintes sont dotées de quatre bornes d’entrées reliées deux à deux par des cavaliers pour une utilisation classique. En les retirant, on a quatre bornes séparées à raccorder à deux canaux d’amplification (il faut donc quatre canaux d’amplification pour une installation stéréo). L’installation fonctionne alors en bi-amplification passive⁷.

Moniteur

Le moniteur est une enceinte destinée à l’écoute dans un contexte professionnel (dans le jargon professionnel on les nomme souvent « écoute »)  : studio d’enregistrement, studio de radio ou de télévision. Le moniteur est généralement utilisé pour avoir un aperçu objectif d’une modulation audio. Il se distingue en cela d’une enceinte Hi-Fi qui est souvent « colorée » afin d’embellir le son. Finalement, les moniteurs ne sont pas trop appréciés du grand public car trop froids, avec des basses faibles et un son très découpé, sans parler de la directivité qui l’empêche de sonoriser une grande pièce de manière homogène. De plus le moniteur a la particularité de faire ressortir tout de suite les moindres défauts de l’enregistrement ce qui peut être vite agaçant si l’on possède des enregistrement de mauvaise qualité (cassette vidéo, mp3 etc.). Finalement, le moniteur est essentiellement utilisé dans les studios d’enregistrement pour corriger plus facilement les défauts d’un document audio (via la mise en valeur des défauts et la bonne spatialisation du son), ainsi que pour avoir un rendu neutre.

Comme toute enceinte on trouve des moniteurs actifs et passifs, à 1, 2, 3 voies ou plus. Il faut distinguer plusieurs types de moniteurs suivant l’usage qui en est fait : modèles de grande taille pour grande salle d’écoute (grandes écoutes ou moniteur principal) et modèles destinés à être utilisés de prés ou moniteurs de proximité. Les moniteurs de proximité sont généralement constitués de 2 enceintes, contenant un haut-parleur d’aigus et un haut-parleur de grave/médium. Le tout peut être ou non complété par un caisson de grave pour reproduire les fréquences inférieures à la fréquence de coupure des enceintes.

Le positionnement des moniteurs principaux se fait avec beaucoup de soin dans le cas d’un studio de prise de son dont l’acoustique a été étudiée et traitée. En revanche, les moniteurs de proximité sont d’une mise en œuvre plus simple : en principe, ils sont utilisés en champ proche donc dans des conditions où l’acoustique de la pièce intervient peu. Ils doivent être dirigés vers l’auditeur selon un triangle équilatéral : c’est la base d’une restitution stéréophonique correcte.

Enceinte Hi-Fi

L’enceinte Hi-Fi (Haute Fidélité) est une enceinte destinée à un usage domestique et censée restituer un son fidèle à l’original. Dans les faits, les critères permettant de qualifier une enceinte de « Hi-Fi » sont assez vagues et tiennent surtout à l’usage qui en est fait  : écoute domestique de loisir avec un souci de conformité à l’enregistrement original^8,9.

Ce qui semblerait une définition contraire à la Hi-Fi est en fait une aubaine pour les constructeurs et pour l’auditeur. En effet, le son est une perception humaine qui traverse plusieurs filtres subjectifs. Pour autant, chacun attend que l’enceinte produise du « bon son », alors qu’en réalité, on attend qu’elle produise le son qu’on aime. Les goûts variant suivant les époques, les pays, le milieu social ou culturel, les constructeurs vont avoir tendance à paramétrer les enceintes Hi-Fi pour qu’elles produisent un son conforme au goûts, réels ou supposés, du public visé. Les gouts variant également selon les individus, il existe une grande variété d’enceintes qui répondent à toute une gamme d’attentes et d’exigences de la part de l’auditeur (écoute de musique classique, de rock, home cinéma, etc.).

Retour

Les enceintes de retour sont des enceintes dédiées au son de retour des musiciens ou artistes sur scène. Elles permettent aux personnes sur scène de disposer d’une écoute individuelle afin d’entendre ce qui se passe collectivement.

Elles sont généralement conçues avec un pan coupé afin de diriger le son vers les oreilles des musiciens une fois posées au sol. En raison de cette disposition, elles sont parfois appelées « bain de pied », « stage monitor » ou « wedge ». En dehors des modèles spécifiquement prévus pour cet usage, de nombreuses enceintes d’usage général sont pourvues d’un pan coupé afin de pouvoir être utilisées aussi bien en diffusion générale qu’en retour.

Caisson de grave (subwoofer)

Le caisson de grave ou caisson de basses (subwoofer en anglais) est une enceinte spécialisée dans la reproduction des fréquences les plus basses du spectre sonore (inférieures à 150 Hz).

Il existe trois cas d’utilisation de caisson de basses :

• 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 sonores de films. 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).
• pour obtenir des niveaux sonores très élevés et une meilleure répartition du grave en sonorisation professionnelle. En pratique, les sonorisations de grande ampleur utilisent systématiquement des caissons de grave.

Les caissons de grave grand public ont la plupart du temps un amplificateur-filtre incorporé, celui-ci permet la gestion d’un ou plusieurs paramètres :

• fréquences de coupures : haute pour le recoupement avec les autres enceintes, en extension de bandes passante ; basse pour la protection du haut-parleur ;
• niveau relatif du caisson vis-à-vis des autres enceintes ;
• 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, le niveau possible et modifie la répartition des fréquences basses dans la pièce. L’emplacement fera donc l’objet d’essais, et idéalement de mesures.

Enceinte de diffusion

Une enceinte de diffusion est le nom que l’on donne à une enceinte dont le but de sonoriser un espace plus ou moins important : spectacles, réunions, évènements divers en salle ou en plein air.

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 situées au niveau de la scène – arriverait aux spectateurs les plus éloignés avec un retard proportionnel à la distance façade-relais. Il ne s’agit que fort rarement d’un type d’enceinte spécifique mais d’un mode d’utilisation d’enceintes acoustiques classiques.

Caractéristiques et spécifications d’une enceinte

Rendement et sensibilité

Le rendement d’une enceinte exprime le rapport entre la puissance acoustique délivrée et la puissance électrique fournie. Le rendement s’exprime en % = Puissance acoustique / Puissance électrique. Dans les faits, le rendement est fort rarement mesuré et utilisé car sans beaucoup d’utilité pratique. Dans le langage courant, il est fréquent de constater une confusion regrettable entre rendement et efficacité, le « rendement » indiqué étant en fait l’efficacité.

La sensibilité ou efficacité indique la pression acoustique obtenue à 1 m quand on applique une tension de 2,83 V à l’entrée de l’enceinte (2,83 V sur une impédance standard de 8 Ohms donnent une puissance de 1 W. (P = U^2 / R = 2.83^2 / 8 = 1 W)⁷. La sensibilité s’exprime en dB/2,83 V/1 m car les amplificateurs audio sont assimilables à des générateurs de tension et il est possible de ne pas tenir compte de l’impédance donc de la puissance réellement absorbée.

Bien que l’expression précédente soit la plus correcte sur le plan technique, la sensibilité est souvent exprimée en dBspl/1W/1 m : Pression acoustique en dB SPL, pour une puissance absorbée de 1 Watt, la pression étant mesurée en champ libre à 1 m de distance.

Connaissant la sensibilité, l’impédance de l’enceinte et la tension appliquée, il est possible de calculer le niveau de pression acoustique à 1 mètre. Pression en dBspl = sensibilité + 10*log (U²/Z). Pour d’autres distances il faut retrancher 20*log(distance en mètres). Ceci vaut uniquement pour un rayonnement sphérique en champ libre, soit 4 pi stéradian. 6 dB d’atténuation à chaque fois que la distance double. Il s’agit donc de valeurs théoriques, le plus souvent très éloignées des valeurs relevées dans une application pratique !

Par exemple, si on applique une tension alternative de 32 volts à une enceinte ayant une sensibilité de 90 dB/1W/1 m et une impédance nominale de 8 ohms, la pression à 1 mètre sera 90+ 10*log (32²/8) = 111 dBspl. À 7 mètres, la pression sera 111 – 20*log 7 = 94,1 dBspl. Insistons sur le fait qu’il s’agit d’un calcul théorique, les conditions de champ libre n’étant jamais réunies dans le monde réel.

La sensibilité des enceintes acoustiques s’étage entre environ 85 dB et 105 dB. La plupart des modèles grand public ont une sensibilité qui tourne autour de 90 dB/2,83 V/1 m. Au-delà de 94 dB/2,83 V/1 m on peut considérer qu’on a affaire à des enceintes à « haut rendement ». Pour les produits grand public, les valeurs les plus élevées ne sont atteintes que par des modèles exceptionnels de prix très élevé. Par exemple Klipschorn fabriqué par Klipsch¹⁰.

Impédance

L’impédance est une caractéristique essentielle d’une enceinte acoustique. Elle s’exprime en ohms. Elle doit être connue (du moins approximativement) pour une bonne adaptation à l’amplification utilisée. Pour cela les constructeurs spécifient une impédance normalisée ou impédance nominale pour leurs enceintes acoustiques. Les valeurs les plus courantes sont de 4 et 8 ohms mais d’autres sont possibles. En principe, les spécifications de l’amplificateur utilisé indiquent quelles valeurs d’impédances sont acceptables : c’est l’impédance de charge. Il ne s’agit, en aucun cas, d’une adaptation d’impédance mais d’indiquer une compatibilité entre équipements !

En réalité, l’impédance d’une enceinte acoustique est une donnée complexe qui ne se résume pas à un seul chiffre. En effet, l’impédance ou, plus exactement, le module d’impédance varie avec la fréquence. Pour l’étude d’une enceinte acoustique, on relève donc sa courbe d’impédance (la variation de l’impédance en fonction de la fréquence). Cette courbe permet d’obtenir un certain nombre de renseignements techniques, de vérifier que certains défauts de construction ont été évités mais aussi de déterminer la valeur qu’il conviendra d’indiquer pour l’impédance nominale³.

Réponse en fréquence

La réponse en fréquence, mesurée dans des conditions adéquates, permet de déterminer quelles fréquences seront reproduites par l’enceinte et avec quelle erreur par rapport à niveau de référence (généralement choisi à 1 kHz). La réponse en fréquence est souvent indiquée sous une forme chiffrée : typiquement limite basse (en Hz) – limite haute (en Hz ou kHz), erreur acceptée (endécibels). Cela donne, par exemple, 40 Hz – 18 kHz, –6 dB. Une réponse dépourvue d’indication de l’erreur acceptée n’est d’aucune utilité cette erreur pouvant être considérable.

L’indication d’une réponse en fréquence sous forme chiffrée ne donne toutefois que peu d’informations. On lui préfère une courbe de réponse, tracée sur un diagramme de Bode. C’est toutefois (pour une enceinte acoustique) un document complexe qui demande à être interprété par des personnes compétentes pour en tirer des informations pertinentes. Par ailleurs, une interprétation correcte exige de connaître dans quelles conditions et avec quels paramètres techniques elle a été relevée.
Dans la pratique, il faut distinguer les courbes de réponse à destination d’un public relativement large qui sont des versions simplifiées donnant une idée globale de la réponse d’une enceinte et les courbes destinées aux ingénieurs et techniciens beaucoup plus détaillées mais aussi plus complexes. À la limite, les courbes simplifiées deviennent une sorte d’illustration voire un document publicitaire  : ce type de document a connu une grande vogue dans les années fastes de la haute fidélité¹¹. Il existe néanmoins des courbes de réponse relativement simples à comprendre et à interpréter  : les courbes par tiers d’octave. Elles tentent de correspondre aux réelles capacités auditives de l’oreille humaine.

Relever et tracer la courbe de réponse d’une enceinte a longtemps été une opération complexe, souvent longue et faisant appel à un matériel onéreux avec, si possible, une chambre anéchoïque. La disponibilité d’ordinateurs puissants et peu onéreux et letraitement numérique du signal, ont sensiblement changé les choses : les mesures font typiquement appel à un ordinateur PC sous Windows associé à une interface (carte interne ou boîtier externe) et un logiciel spécialisé. Un tel système permet de réaliser (sous certaines conditions et dans certaines limites) des mesures comparables à celles obtenues dans une chambre anéchoïque avec une grande rapidité^12,13,14.

Directivité

Il est aisé de constater, en se déplaçant par rapport à l’axe de diffusion d’une enceinte, que le son se modifie au fur et à mesure qu’on s’éloigne de cet axe. Une mesure de la réponse en fréquence en dehors de l’axe permet de constater qu’elle est différente du résultat obtenu dans l’axe. Cette modification est plus ou moins importante suivant la conception de l’enceinte. Elle se traduit généralement par une diminution progressive du niveau de l’aigu mais d’autres modifications sont possibles. Ce phénomène fait que l’écoute n’est vraiment conforme aux attentes que sous un angle donné par rapport à l’axe. La directivité est rarement indiquée pour les enceintes grand public mais fait partie des spécifications essentielles des modèles professionnels. Le constructeur indique l’angle sous lequel l’enceinte est utilisable. Il ne s’agit là que de la directivité horizontale mais un phénomène similaire se produit dans l’axe vertical : la directivité est donc indiquée sous les deux angles. Par exemple 60° × 40° : soixante degrés horizontalement et quarante degrés verticalement.

Puissance

Il s’agit de la puissance pouvant être supportée sans dommages par l’enceinte puisqu’une enceinte acoustique ne produit aucune puissance. On parle de puissance admissible. Bien entendu, les enceintes amplifiées ont une puissance : celle du ou des amplificateurs qui y sont intégrés. Il s’agit de tout autre chose.

Dans la pratique, définir la puissance admissible d’une enceinte acoustique est difficile. En effet, une enceinte est destinée à reproduire de la musique dans des conditions variées et non un signal parfaitement défini et stable dans un laboratoire. La meilleure démonstration de ces faits est la multiplicité des manières de définir (et éventuellement de mesurer) la puissance d’une enceinte acoustique : puissance nominale, puissance musicale, puissance programme, puissance crête, etc.¹⁵ Il existe des normes comme IEC 268-5, AES2-1984 ou, plus ancienne, AFNOR NFC 97-330³ mais, là encore, le consensus est difficile à trouver.

La compréhension et une bonne interprétation de ces normes n’est donc pas à la portée du grand public. Pour ce dernier, la meilleure indication et la plus facilement compréhensible est une recommandation, par le constructeur, de la puissance d’amplification à associer à une enceinte : par exemple « Amplification recommandée : 50 à 150 W efficaces ».

La puissance d’une enceinte n’est en aucun cas une garantie de qualité ni même une indication du niveau sonore qu’il sera possible d’en obtenir. Ce n’est donc pas, surtout pour un usage domestique, un critère de choix.

Niveau sonore maximal

Pratiquement jamais indiqué pour les enceintes grand public, c’est un élément important pour les enceintes professionnelles. Il permet en effet à l’utilisateur d’évaluer et éventuellement de calculer s’il disposera d’un niveau sonore conforme à ses besoins. Naturellement le niveau maximal pouvant être obtenu pourrait, logiquement, être calculé à partir de la sensibilité et de la puissance admissible mais d’autres facteurs interviennent dans le niveau effectivement fourni, par exemple la directivité et la compression thermique. L’indication du niveau maximal est une sorte d’engagement du constructeur permettant à l’utilisateur une évaluation rapide des possibilités offertes dans ce domaine.

Compléments

Réalisations personnelles (DIY)

Le prix des enceintes acoustiques étant souvent très élevé, il est tentant de les fabriquer soi-même pour réaliser des économies. Il est aussi séduisant, en dehors de considérations économiques, d’essayer de mettre ses éventuelles idées en pratique ou de fabriquer des modèles qui vous conviennent exactement. Cette activité a connu une grande vogue par le passé même si elle est aujourd’hui en déclin. Il faut distinguer au moins deux démarches pour fabriquer ses enceintes :

• la conception complète en choisissant des haut-parleurs et en concevant un filtre et une caisse : cela suppose une excellente connaissance du sujet !
• la réalisation pratique d’une enceinte dont on a le schéma, les plans ou même l’ensemble des éléments nécessaires. Dans ce dernier cas, on parle de kit et l’opération est à la portée de tout bricoleur soigneux. En revanche, pour la finition, le résultat esthétique dépendra des capacités de chacun.

Il subsiste des magasins spécialisés proposant des haut-parleurs séparés, des composants ou accessoires ainsi que des kits pour la réalisation d’enceintes acoustiques.

Association d’enceintes

Plusieurs enceintes acoustiques peuvent être raccordées sur un canal d’amplification. Les règles à suivre pour de tels raccordement sont simples : l’impédance résultant d’une association d’enceintes doit être conforme à l’impédance de charge spécifiée par le constructeur de l’amplificateur. En pratique, égale ou supérieure à l’impédance de charge minimale acceptée.

Pour le calcul de l’impédance de charge résultant d’une association d’enceintes, ce sont les règles de circuits série et parallèles qui s’appliquent. Ainsi, par exemple, deux enceintes d’impédance nominale 8 ohms associées en série donnent une impédance de 16 ohms, associées en parallèle elles offrent une impédance équivalente de 4 ohms. Il est possible de combiner des associations série et parallèle si le nombre d’enceintes est important⁷.

Les associations d’enceintes sont une pratique courante et normale dans le monde de la sonorisation. En revanche, pour l’écoute haute fidélité, c’est une pratique à proscrire : la multiplication des enceintes et donc des sources sonores sans contrôle de leur zone de diffusion crée des interférences préjudiciables à la qualité de la reproduction sonore.

Diffusion du son

La diffusion du son subit les lois ondulatoires (voir optique physique 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 » dites line array) 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 (ou du moins un son très affaibli) ne sera perçu par l’oreille, pour éviter ce phénomène, on fait attention au positionnement des différentes enceintes.

Confort

L’utilisation des enceintes à niveau sonore élevé peut devenir une nuisance pour les voisins si l’immeuble est insuffisamment isolé. Pour limiter la transmission des vibrations vers la structure du bâtiment, il convient d’intercaler un support résilient entre l’enceinte et son support.

Les pointes rigides dites « pointes de découplage » ne conviennent pas pour cet usage, leur rôle étant au contraire de renforcer le couplage en vue de faciliter l’évacuation de l’énergie vibratoire de l’enceinte à travers le plancher.

Les supports résilients sont le plus souvent des plots antivibratiles. Ils améliorent l’isolation avec les appartements voisins en formant une rupture du pont phonique qui réduit la transmission entre l’enceinte et la structure porteuse. En contrepartie, les vibrations de l’enceinte ne sont pas évacuées, au détriment de la qualité du son.

Évolution des enceintes

Les premières réalisations de haut-parleur remontent au xix^e siècle. Mais les véritables débuts du haut-parleur à bobine mobile tel qu’on le connaît datent de 1924, date à laquelle Chester W. Rice et Edward W. Kellogg en déposèrent le brevet, en même temps, qu’un amplificateur capable de fournir une puissance de 1 watt à leur dispositif. Ce dernier, le Radiola Model 104, avec amplificateur incorporé, fut mis sur le marché l’année suivante. On parle de haut-parleur de Rice-Kellogg pour désigner cette première réalisation. La paternité est toutefois contestée, des travaux similaires ayant eu lieu dans les principaux pays développés dont la France¹⁶.

Les haut-parleurs utilisent toujours le même principe de base et ont pris assez rapidement leur forme définitive mais les évolutions n’en sont pas moins très importantes : matériaux utilisés, conception et test à l’aide de systèmes informatiques font que les performances ont connu des progrès considérables, y compris sur les modèles de grande diffusion. Pour la construction de l’enceinte proprement dite, si le bois reste largement utilisé, le plastique l’est de plus en plus. Outre ses qualités propres, il permet de réaliser des formes complexes, mieux adaptées à un bon rendu acoustique qu’un parallélépipède, ce qui était impossible à un prix raisonnable avec les matériaux traditionnels.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Son
• Haut-parleur
• Sonorisation
• Delay
• Chaîne Hi-fi
• ls3/5a
• Enceinte sans fil

Liens externes

Théorie et pratique de l’enceinte acoustique par F. Brouchier

Enceinte Close : principe et théorie dans le livre de F.Brouchi

Enceinte Bass-Reflex : principe et théorie dans le livre de F.Brouchier

Enceinte Active-Passive : principe et théorie dans le livre de F.Brouchier

Jean-Claude Gaertner, « Calculez la charge optimale de votre haut-parleur », sur pure-hifi.info, facsimile d’un article de la revue Audiophile n^o 23, février 1982.

Jacques Mahul, « Matériaux et enceintes acoustiques », sur pure-hifi.info, facsimilé d’un article de la revue Audiophile n^o 9, mars 1979.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Enceinte (audio) de Wikipédia en français (auteurs)