Enceinte (audio) - Définition

Une enceinte est l'ensemble généralement composé d'un caisson (baffle) généralement en bois où sont fixés des haut-parleurs, permettant la reproduction acoustique du son à partir d'un signal électrique.

Elle permet aux haut-parleurs de transmettre à l'air une variation de pression efficace.

Utilité

Les hauts-parleurs ont des formes ne leur permettant pas d'être utilisé seuls, il est nécessaire de les fixer sur un support.

La membrane d'un haut-parleur fait vibrer l'air devant elle, mais aussi derrière elle, la vibration arrière est déphasée de 180°, donc lorsque ces ondes sonnores se rencontrent, elle s'annulent. Le rendement d'un haut parleur est donc particulièrement mauvais, lorsqu'il est utilisé dans de mauvaises conditions : Il nécessaire de soit supprimer en les absorbant les vibrations arrières, soit les déphaser de 180°, afin qu'elle n'affectent pas les ondes émise par l'avant du haut-parleur. L'enceinte acoustique a aussi une autre fonction, elle accueille les filtres nécessaires à la distribution du signal électrique au différents hauts-parleurs.

Type d'enceintes

Avant de se lancer dans l'achat d'enceintes acoustiques, il est nécessaire de déterminer le lieu d'écoute ainsi que l'utilisation prévue : sonorisation de fêtes entre amis ou haute-fidélité. Les enceintes sont généralement le maillon faible de la chaîne de restitution sonore, elles deviennent donc l'élément le plus sensible dans le choix des différents éléments. Même le type de musique devant être restituée par les enceintes doit être prise en compte.

En conséquence, il existe plusieurs types d'enceintes ayant des caractéristique de base très différentes :

Les enceintes closes

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 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 étendue 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.

A 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.

C'est généralement ce type d'enceinte qui est utilisé pour mesurer un haut-parleur (rendement, réponse en fréquence, directivité...)

Les enceintes " Bass-Reflex "

Elles sont facilement identifiables grâce à leur évent. Elles sont basées 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. Voici deux différents modèles d'enceinte Bass-Reflex que vous pourrez trouver dans le commerce:

En effet, le mouvement vers l'avant de la membrane d'un haut-parleur crée une pression de l'air qui sera accompagnée par une dépression équivalente de l'air à l'arrière de la membrane. De manière identique, le mouvement vers l'arrière de la membrane créera une dépression de l'air à l'avant de la membrane accompagnée d'une pression de l'air 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 les en restituer dans la pièce, en phase avec le son normalement émis. Vous comprendrez vite qu'un problème crucial 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 que votre miroir reflètera votre image opposée, le Bass-Reflex a pour but de refléter le son à l'intérieur du caisson, c'est-à-dire son image originale.

A la fréquence d'accord de l'évent dans le volume de l'enceinte, le déplacement de la membrane est presque nul. Le rayonnement sonore se fait intégralement par l'évent. Cela permet de réduire dans des proportions importantes la distortion 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. Tous les haut-parleurs n'ont pas des caractéristiques adaptées au montage en bass-reflex. Un haut-parleur ayant un QT (ou QTS) compris entre 0.25 et 0.50 fonctionne en bass-reflex, mais le volume doit être calculé avec soin. Il est possible d'utiliser des haut-parleurs ayant un QT (ou QTS) inférieur à 0.25 si le VAS du haut-parleur est important.

L'accord de l'évent est très important pour le rendu sonore final. Un accord trop haut, donné par un évent trop court en longueur ou trop grand en surface, se traduit par un son "boum boum" désagréable. Un accord trop bas, donné par un évent trop long ou par une surface trop petite augmente le déplacement de la membrane de façon importante. La distorsion augmente, et le risque est plus important de détruire le haut-parleur. L'accord optimal est parfaitement audible sur la qualité du médium reproduit par le haut-parleur, et un réglage à l'écoute est parfaitement envisageable.

Il existe une série de logiciels pour PC pour faciliter 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 a volume comparable, mais ce registre peut s'avérer moins détaillé si le réglage de l'évent est mal réalisé.

Leur conception reste plutôt ardue.

Les enceintes " Actif Passif "

C'est une variante du bass-reflex qui utilise une membrane sans moteur (aimant et bobine) à la place de l'évent. le terme exact est "radiateur passif". L'évent d'un bass-reflex assure un accord à une fréquence précise. La masse de la membrane passive, et la raideur de la suspension, assurent la même fonction avec des moyens différents.

Vu de l'extérieur, une enceinte active Passive aura deux membranes quand une enceinte bass-reflex n'en n'aura qu'une plus un évent. Certain acheteurs, non technicien, considèrent que plus il y a de haut-parleurs mieux c'est. Certain vendeurs ont, par le passé, franchement abusé à ce niveau.

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. Attention, tous les haut-parleurs n'acceptent pas un petit volume, et ne demandent pas un accord très bas.

Les baffles plans

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, et limite ainsi le court-circuit acoustique. Le court circuit acoustique se produit aux basses fréquences, pour des longueurs d'onde qui dépendent directement de 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/2/L. Par exemple, pour une plaque de 1.5 m de large, et une vitesse du son de 343.4 m/s (à 20°C), le court-circuit à lieu à 114.5 Hz.

En dessous de la fréquence du court-circuit acoustique, la réponse chute à raison de 12 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, -15 dB à 57 Hz et -33 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 0.80.

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 sont les enceintes pour guitare électrique.

La bande-passante peut être améliorée dans le grave par l'ajout d'un filtre passe-bas du deuxième 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 gave n'est pas sensé monter plus haut que la fréquence de coupure du baffle.

La réponse impulsionelle est encore meilleure qu'en baffle clos. La qualité d'écoute du haut-grave au haut-médium est excellente avec ce type de baffle.

Les enceintes " Chargées de Pavillon "

Quand les hommes préhistoriques voulaient que leur voix porte loin, ils mettaient leur main en entonnoir devant leur bouche. Ils réalisaient ainsi les premiers pavillons.

Le principal intérêt des pavillon est le très bon couplage avec l'air ambiant. C'est pourquoi ils étaient utilisés au tout début de la reproduction sonore avec les phonographes, quand les amplis n'existaient pas. La vibration de l'aiguille dans le sillon faisait directement vibrer une petite membrane, dont le son était amplifié par un pavillon.

Plus tard les premiers amplis étaient de très faible puissance. Là encore les pavillons étaient indispensables pour avoir un niveau sonore correct.

L'époque du cinéma parlant fut la grande époque des pavillons, pour sonoriser des salles de 1000 ou 1500 places avec des amplis de 10 ou 20 W seulement. Plusieurs pavillons se partageaient le spectre sonore du grave à l'aigu.

Aujourd'hui les système de sonorisation les plus puissant sont encore en pavillons.

En HI-FI, a 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 plus utilisés.

Souvent les moteurs d'aigus (tweeters) sont surmontés 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 tweeters, ce principe est utilisé pour les enceintes. Généralement il s'agit d'enceintes utilisant un unique haut-parleur (large bande). On voit aussi des utilisations en sonorisation dans les enceintes dédiées aux basses. Ces enceintes récupèrent l'onde arrière du haut-parleur et la fait passer dans un pavillon. La bande passante est ainsi élargie. Ce type de charge est particulièrement adapté aux large bande dont le seul défaut est de manquer de graves. Le pavillon arrière permet ainsi de se passer de l'ajout d'un haut-parleur de graves.

Les enceintes coaxiales

Le terme est incorrect. C'est une enceinte qui utilise un haut-parleur coaxial. Elles permettent d'avoir le tweeter au centre du médium : ainsi on évite certain problèmes de déphasage dû à l'éloignement de deux sources sonores.

Utilisation d'enceintes

Enceintes actives

Les enceintes actives peuvent être soit amplifiées, ou pas. Dans certains contextes, pour gagner en mobilité ou pour économiser un ampli, on utilise des enceintes actives, qui sont alimentées par le secteur (220 V) et qui intègrent l'ampli de puissance. Leur principal usage est pour les ordinateurs,écoute studio, mais il existe aussi des enceintes actives de diffusion. Il existe cependant des systèmes d'enceintes actives sans l'amplification interne (une enceinte active n'est donc pas automatiquement amplifiée ) Mais que veut dire "actif", c'est au niveau du filtrage des fréquences qu'il faut regarder. Alors qu'une enceinte passive reçoit un signal sonore amplifié, son filtre va séparer les fréquences entre les différents HP : c'est un filtrage passif > filtrage après amplification. pour le filtrage actif, le but est de filtrer avant l'amplification > système actif. Dans la majorité des enceintes actives, nous trouvons donc par exemple une bi-amplification ou tri-amplification du son (pour une enceinte a deux voies ou trois voies). Mais pour beaucoup d'installations, notamment en sonorisation et concert, nous trouvons des systèmes actif, c’est-à-dire qu'un filtre actif sépare les fréquences du signal puis les envoie vers les amplis séparés respectifs (par exemple : fréquences aigus et fréquences basses), et peuvent rejoindre ainsi la même enceinte à l'aide d'une prise par HP. (une connexion pour l'aigu et une autre pour les basses.) Ceci étant bien un système actif pourtant avec amplification externe.

Moniteurs

Le moniteur est une enceinte très haute fidélité, dont la caractéristique première est une réponse linéaire en fréquence et en intensité. Ces enceintes sont généralement utilisées en studio pour avoir un aperçu objectif d'un mixage.

Retours

Les enceintes de retours sont des enceintes dédiées à l'écoute des musiciens sur scène. Elles sont généralement conçues avec un pan coupé afin de diriger le son vers les oreilles des musiciens une fois posées au sol. Ces enceintes ont en général une bande passante tronquée dans le grave (< 50Hz) et plate dans l'aigu, ceci afin d'assurer une grande intelligibilité du message, la contrepartie étant un son parfois subjectivement agressif. Leur tenue en puissance relativement faible et leur bande passante limitée les rendent inutilisables en façade.

Subwoofer

Le subwoofer, appelé Caisson de basse en français, est une enceinte spécialisée dans la reproduction des fréquences les plus graves (inférieures à 150 Hz).

Il existe deux cas d'utilisation de caisson de basse :

• pour l'extension de la bande passante d'enceintes existantes, que ce soit en stéréo ou en Home Cinéma, ceci nécessite un filtrage répartiteur entre les enceintes large bande et le caisson (c'est le "bass-management" des processeurs Home cinéma).
• pour la prise en charge de canal LFE (Low Frequency Effect) des bandes sonore de film. Dans ce cas la bande passante des formats DolbyDigital et DTS est de 3 à 120Hz, le caisson doit donc pouvoir descendre le plus possible dans le grave (en fait les bandes sonores ne descendent pas sous 10Hz).

Les caissons de basse ont la plupart du temps un ampli-filtre incorporé, celui-ci permet la gestion :

• des fréquences de coupures : haute pour la recoupement avec les autres enceintes, en extension de bandes passante ; basse pour la protection du haut-parleur
• du niveau relatif du caisson vis à vis des autres enceintes
• de la phase relative au autres enceintes.

On lit souvent que la position dans la pièce n'a aucune importance, du fait des grandes longueur d'ondes considérées. Hors le couplage du caisson suivant son emplacement (contre un mur ou dans un coin) augmente plus ou moins considérablement sa bande passante, parfois au point de créer une bosse ce qui se traduit pas un son lourd et redondant. L'emplacement fera donc l'objet d'essais, et idéalement de mesures.

Enceintes de diffusion

Une enceinte de diffusion est le nom que l'on donne à une enceinte dont le but premier est d'envoyer un maximum de son : elle sont généralement utilisées en front de scène (enceintes de façade).

Enceintes de rappel/relais

Les enceintes de rappel (ou de relais) servent à renforcer le son pour des évènements en plein air : elles permettent au public du dernier rang d'entendre sans que le premier rang soit assourdi.

Diffusion du son

La diffusion du son subit les lois ondulatoires (voir optique ondulatoire 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 (ex. : bruit de route ou enceintes "lignes sources") ne perdent que 3 dB lorsqu'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 ne sera perçu par l'oreille, pour éviter ce phénomène, on fait attention au positionnement des différentes enceintes.

Efficacité d'une enceinte

L'efficacité, ou rendement, d'une enceinte est lié au rapport entre la puissance acoustique délivrée pour une puissance électrique donnée en entrée. Clairement le rendement s'exprime en % = Puissance acoustique / Puissance électrique ; la sensibilité s'exprime en dBspl/1W/1m (littéralement : dBsound-pressure-level pour 1W en entrée à 1m de distance), ce qui correspond pour une enceinte d'impédance nominale de 8ohms à dBspl/2,83V/1m. D'une manière générale c'est cette dernière mesure qui est utilisée du fait que les amplis commun sont des générateurs de tension.

Il est possible à partir de cette donnée de calculer le niveau de pression acoustique délivré à un endroit donné pour une puissance connue en entrée : dBspl = (dBspl/1W/1m) + 3dB (pour chaque doublement de puissance) - 6dB (pour chaque doublement de la distance en mètre, rayonnement en 4pi stéradian).

Par exemple prenons le cas d'une enceinte de sensibilité 97dBspl/1W/1m, nous lui fournissons un signal de 512W, le niveau spl à 1m est alors de 124dBspl. Si nous nous éloignons de 8m, le niveau spl est alors de 106dBspl.

Prix

Entre robustesse, efficacité, linéarité, netteté du son, bande passante et puissance : les prix peuvent énormément varier : de 150 € l'unité pour l'entrée de gamme à plus de 40 000 € quand on veut plus de qualité... Les versions professionnelles pour studios d'enregistrement peuvent même atteindre des sommets (plusieurs dizaines de milliers d'Euros).