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Emmanuel MULLER Diplôme Professionnel Son 2ème Année 2007-2008 Conception et réglage d’une enceinte acoustique Copyright - Ens PDF

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Emmanuel MULLER
Diplôme Professionnel Son 2ème Année
2007-2008

Conception et réglage d’une enceinte
acoustique

Copyright - Enseignement des Métiers de la Communication
Malakoff 92240 - Tous droits réservés.
Site web : http://www.emc.fr

0

SOMMAIRE

INTRODUCTION

2

I / RAPPEL THÉORIQUE

3

1) Le Haut parleur
2) Principe de l’enceinte acoustique
3) Paramètre TS
4) Calcul de l’enceinte close
II/ UNE ENCEINTE 2 VOIES
1) Théorie : couplage de deux haut-parleurs
2) Modification du filtre
3) Le bass-reflex
III/ UN CAISSON DE BASSE

3
7
9
13
14
14
16
18
20

1) Le pavillon acoustique
2) Le pavillon arrière

20
24

IV/ UN SYSTEME MULTIAMPLIFIE

30

1) Filtrage actif
2) Remise en phase

30
33

SOURCES, BIBLIOGRAPHIE

37

ANNEXES

38

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1

INTRODUCTION
L’enceinte acoustique est le dernier élément que le sonorisateur peut contrôler, par son placement
ou sa conception.
Une fois le son émis, les éléments influant sur l’écoute, tels que l’architecture de la pièce ou les
conditions climatiques, ne sont plus de son ressort.
Pour parer d’éventuels problèmes, il devra modifier le signal envoyé vers les enceintes.
Il est donc important de connaitre les règles de conceptions d’une enceinte, pour l’amateur
souhaitant en construire bien évidement, mais aussi pour un technicien qui est amené à acheter,
réparer ou calibrer un système de diffusion.
Cependant, la conception d’enceintes de qualité demeure une science expérimentale.
D’une part parce que les phénomènes intervenant n’ont pas encore été suffisamment étudiés,
tant au niveau de l’acoustique, du fonctionnement électromagnétique du haut parleur ou de la
perception et l’interprétation des sons par l’auditeur.
D’autre part, les conditions optimales n’étant jamais réunis hormis peut être dans quelques
laboratoires d’acoustiques suréquipés et les paramètres contrôlables souvent restreins, la
sensation sonore produite par un système de diffusion est difficilement prévisible par la théorie
seulement.
La recherche des réglages optimaux implique donc une étape d’essai.
Il serait prétentieux de croire que l’oreille humaine est plus précise qu’une mesure rigoureuse,
mais seule l’écoute permet de synthétiser tous les phénomènes et leurs interactions afin de juger
de la qualité du rendu sonore.
C’est pourquoi la plupart des sonorisateurs considèrent que l’écoute est le principal instrument de
réglages d’un système de diffusion.
Le lecteur trouvera ici les bases nécessaires au calcul d’une enceinte acoustique, ainsi que le
minimum d’explication pour manipuler correctement ces outils, sans rentrer dans les plus fines
subtilités.
J’espère ainsi lui permettre d’entreprendre sa propre expérimentation et inciter les plus curieux à
approfondir les différents sujets abordés ici.

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2

Rappels théoriques

Le haut parleur

Le haut parleur électrodynamique, le plus couramment utilisé, est constitué d’une membrane
reliée mécaniquement à une bobine qui est plongée dans un champ magnétique, c'est-à-dire
entourée d’un aimant.
La membrane est reliée par des suspensions aux autres parties du haut parleur.

Lorsque l’on envoi un signal alternatif aux bornes de la bobine, celle-ci avance et recule sur son
axe en entrainant la membrane. C’est la vibration de la membrane qui produit le son.
Le haut parleur est donc un des éléments les plus importants dans la chaine de diffusion sonore
puisque c’est lui qui transforme le signal électrique en vibration acoustique.
Les matériaux et les technologies employés pour sa constitution influent sur ses caractéristiques
électromagnétiques et mécaniques qui déterminent ses performances.

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3

Impédance Z en Ohms Ω:
La courbe d’impédance d’un haut parleur représente sa résistance électrique en fonction de la
fréquence.
Dans le cas d’un HP électrodynamique, elle sera de la forme :

On sait que la bobine dans le champ magnétique exerce une force lorsqu’elle est traversée par un
signal électrique, mais elle produit inversement un signal électrique lorsqu’on lui soumet une
force :
Une force est un concept physique qui représente l’origine d’une modification de mouvement.
En gros la bobine « pousse » la membrane lorsqu’on lui envoie un signal. Mais si on pousse la
membrane, le bobine envoie un signal, c’est le principe du microphone électrodynamique.
Or les suspensions de la membrane, ainsi que la membrane du HP elle-même, ont une certaine
élasticité qui va provoquer une force inverse au déplacement de la membrane et donc un signal
aux bornes de la bobine. C’est cette réaction qui entraine ce pic d’impédance important dans les
basses fréquences.
La fréquence pour laquelle l’impédance est à son point culminant est appelé fréquence
de résonance Fs.
C’est une caractéristique fondamentale du HP car elle détermine sa fréquence de
coupure c'est-à-dire sa limite de fonctionnement dans le grave.
Ce que l’on appel couramment « l’impédance d’un HP » est la valeur minimale de l’impédance, ici
8Ω, dans la zone quasi plane qui détermine aussi le domaine d’utilisation du haut-parleur, ici
environ 50Hz - 2KHz.

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4

Rendement, sensibilité et puissance :
Le rendement est le rapport entre la puissance acoustique émise par le haut parleur et
la puissance électrique qu’on lui a fournit.
Le plus souvent, se rapport est de l’ordre de quelques pourcents.
La sensibilité est le niveau acoustique mesuré à 1m pour un signal de 1W aux bornes
du HP.
Cependant, il est difficile d’obtenir 1W à toutes les fréquences en raison des variations
d’impédance du HP (on rappel que P=U2/R). C’est pourquoi on mesure la sensibilité pour une
valeur de tension fixe aux bornes du HP plutôt qu’une valeur de puissance.
On choisit 2,83V car 2,832/8=1W pour un HP de 8Ω
La sensibilité s’exprimera alors en dB/2,83V/1m
La puissance d’un HP est le nombre de Watt admissibles par celui-ci.
On rappel que pour augmenter le niveau sonore de 3dB, il faut doubler la puissance acoustique,
pour 6dB il faut donc la quadrupler.
C’est pourquoi, un HP de 1200W ayant une sensibilité de 92db/2,83/m
Ne fera jamais plus de son qu’un HP de 300W à 98dB/2,83/m
Il faut savoir également que tous les hauts parleurs ont un effet de compression, c’est à dire une
perte de sensibilité lorsque la puissance fournie augmente.

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5

Faisons un calcul rapide, disons que ces deux HP ont la même courbe de compressions (celle-cidessus, trouvée sur internet) :
Nous avons la sensibilité à 1W
Sachant que 2W=+3dB 4W= +6db 8W=+9dB etc…
300W=+24,8dB
1200W=+30,8dB
Donc l’enceinte de 300W à 98dB/W/m avec 2,5dB de pertes dues à la compression,
Donnera au maximum 120,3dB
L’enceinte 1200W 92dB/W/m et 5,5dB de compression donnera au max 117,3dB
Dans ce cas, l’enceinte de 300W sonne simplement deux fois plus fort que celle de
1200W, et avec un ampli quatre fois moins puissant !
Cette caractéristique de puissance est pourtant souvent mise en avant par les revendeurs.
C’est qu’il est surement plus aisé pour le constructeur de doubler la puissance admissible par le
HP que de doubler sa sensibilité. De plus, il est connu que le watt est une unité de puissance, un
HP de 500W parait alors « plus puissant » qu’un HP de 200W pour un public non averti.
Nous venons de voir qu’il n’en est rien.
Pire encore, à cause des pertes de compression, le rendement du HP n’est plus tout a fait linéaire
en fonction de la puissance admise.
C’est pourquoi, il faut toujours privilégier la sensibilité.
En gros, pour un HP donné, on aura plus de niveau sonore avec un HP deux fois moins
« puissant » mais deux fois plus sensible.

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6

Paramètres Theile&Small
La plupart des constructeurs fournissent avec leur HP une batterie de paramètres normalisés,
appelés paramètres Theile&Small, du nom de deux expérimentateurs qui ont modélisé
mathématiquement le comportement du haut parleur électrodynamique.
Ces données nous permettent véritablement de nous faire une idée des performances du HP, et
servent à choisir et à calculer les caractéristiques de l’enceinte appropriée.
Les formules reliant ses différents paramètres permettent de calculer des données manquantes.
Et même lorsque l’on a tout les renseignements voulus, on peut dans un premier temps
recalculer les paramètres entre eux pour vérifier la pertinence des données du constructeur.
De plus chaque HP admet des tolérances de fabrication et les données fournis sont souvent des
moyennes sur plusieurs HP d’un même modèle.
Les plus méfiants pourront, avec un minimum de matériel et de rigueur, effectuer eux même les
mesures de ces paramètres (voir annexe 3).
Re : C’est la résistance de la bobine au courant continu
Le :
Qms :

L’inductance de la bobine
coefficient de surtension mécanique

Qes : coefficient de surtension électrique
Une résistance en série, due à un filtre passif ou un ampli avec un facteur d’amortissement
faible, modifie ce paramètre en
Qes’=Qes*(Re+R)/Re
avec R la résistance adjointe
Qts : coefficient de surtension total
Qts = Qms * Qes / ( Qms + Qes )
Attention à répercuter l’éventuelle modification du Qes
Sd :

C'est la surface émissive de la membrane

Xmax : c’est l’élongation maximale de la membrane
Cms : La compliance de la suspension, c'est-à-dire l’inverse de la raideur
Cms=Vas/[ ρ *(c*Sd)2]

(voir plus bas)

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Mms : la masse en mouvement du haut parleur, c'est-à-dire la masse de la bobine+ masse de la
membrane+ réactance du rayonnement de l’air
Fs :

c’est la fréquence de résonnance du haut parleur
Fs = 1/[2* π *√ (Mms*Cms)]
ou
Fs= √(K/Mms)/2*π
avec K la raideur de la suspension en N.m-1 ( α Kg.s-2 )

BL :

coefficient de couplage électrodynamique exprimé en N.A-1, il représente la force produite
par la bobine lorsque l’on impose un ampère à ses bornes.
BL = √ ( 2 * π * Fs * Mms * Re / Qes )
On remarque que le coefficient BL / Mms , qui est l’accélération de la membrane pour un
ampère aux bornes de la bobine, est lié à la sensibilité du haut parleur ( voir annexe ).

Vas : c’est le volume d’air équivalent à l’élasticité de la suspension.
Sachant que l’air est un fluide qui a une certaine élasticité, il faut un certain volume d’air
pour obtenir une élasticité égale.
Dans la littérature technique, on trouve la formule
Vas = (ρ/Mms)*[(c*Sd)/(2* π *Fs)]2 avec ρ la masse volumique de l’air = 1,2 Kg.s-2
Avec

Fs= √(K/Mms)/2*π

Vas= (ρ /K)*(c*Sd)2

on obtient :

ou Vas = Cms*ρ *(c*Sd)2

On constate que cette formule est homogène et que lorsque la raideur K diminue (cad.
l’élasticité augmente) le volume Vas est plus grand

Pour vérifier les tolérances de fabrication, on peut calculer ces deux facteurs qui se révèlent plus
constants entre les différents HP :
Fs / Qes = BL2 / ( 2 * π * Re * Mms ) et
Vas * Qes2 = Re2 * Mms * Sd2 * ρ * c2 / BL4

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8

Principe de l’enceinte acoustique
La première et principale fonction d’une enceinte est de séparer l’onde avant et l’onde arrière du
haut parleur.
Lorsque la membrane du haut parleur avance, il apparait une zone de pression devant lui qui va
se propager, c’est le son. Dans le même temps, une zone de dépression va se créer derrière la
membrane entrainant une onde en opposition de phase. Lorsque cette onde arrière interfère avec
l’onde avant, il se produit un court circuit acoustique qui se traduit par une perte de niveau en
dessous d’une certaine fréquence. Cette fréquence dépend de la différence de parcours D entre
l’onde avant et l’onde arrière.
Fcc=c/(2*D) ou D= c/(2*Fcc)
L’idée la plus simple est alors d’encastrer le haut parleur dans un plan dont la dimension sera
facilement calculée en fonction de la longueur d’onde émise par le haut parleur.

D2 = √ (L2+D12)

D = D1 + √ (L2+D12) – L
Pour simplifier les calculs, on prendra le cas où l’auditeur est très éloigné du HP, D1 est alors
négligeable devant L et on peu approximer D=D1.
C’est aussi le pire cas pour nous puisque Fcc diminue lorsque L diminue
Reprenons D= c/(2*Fcc)

Avec c= 343,4 m.s-1
Avec

Fcc =20HZ

et Fcc= 50Hz

D=3,34m

D=8,59m

Ce qui veut dire que pour s’affranchir du court circuit acoustique à 20HZ avec un HP
de 46cm, le plus petit baffle possible sera un disque de plus de 17m de diamètre !

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