Quelle est la configuration idéale du pilote de haut-parleur ?

Toute personne qui s’intéresse à l’audio depuis un certain temps a probablement développé une préférence pour un certain style de haut-parleur et une certaine configuration de pilote. Cette préférence peut être basée sur une expérience personnelle, l’opinion d’un critique de confiance, des connaissances techniques ou peut-être même des efforts de construction de haut-parleurs. Il existe en fait de nombreuses façons de construire un bon haut-parleur, et il y a certainement de la place pour les goûts personnels. Pourtant, je suis souvent surpris de voir à quel point la plupart des gens (même ceux qui sont profondément impliqués dans l’audio) comprennent peu les implications sur les performances des différentes configurations de pilotes.

Une grande partie de cela est expliquée dans The Loudspeaker Design Cookbook. Lorsque j’ai lu The LDC pour la première fois il y a 20 ans, cela a probablement amélioré ma compréhension du fonctionnement des haut-parleurs d’un ordre de grandeur. Ce que je vais présenter ici est beaucoup moins technique. J’encourage tous les audiophiles et critiques à creuser plus profondément en prenant une copie du LDC, qui en est maintenant à sa septième édition et qui a été écrit par Vance Dickason, rédacteur en chef du magazine Voice Coil et l’un des concepteurs de haut-parleurs les plus expérimentés au monde.

Afin de comprendre pourquoi certaines configurations de pilote fonctionnent mieux que d’autres dans certaines situations, il est important de comprendre quelques principes généraux :

1) Toutes choses étant égales par ailleurs, plus le diamètre d’un haut-parleur est grand, plus les fréquences qu’il peut jouer sont basses et plus il aura de difficulté à reproduire les hautes fréquences. Encore une fois, c’est un principe général, vrai uniquement lorsque toutes les autres choses sont égales.

2) La dispersion d’un haut-parleur (la régularité avec laquelle il disperse le son dans toutes les directions) est principalement fonction de son diamètre ou, dans le cas des haut-parleurs de forme ovale ou rectangulaire, de leurs dimensions horizontales et verticales. Une bonne règle empirique est que la dispersion d’un conducteur commence à se rétrécir (ou "faisceau") à la fréquence dont la longueur d’onde correspond à la dimension du conducteur. Pour calculer cela, divisez 13 512 (la vitesse du son en pouces au niveau de la mer) par la zone de rayonnement effective du conducteur. Par exemple, un woofer de 6,5 pouces avec un diamètre de zone de rayonnement efficace de cinq pouces (mesuré du sommet du surround au sommet opposé) commence à rayonner à environ 2 702 Hz, soit 13 512 divisé par cinq.

La dispersion est importante car elle donne à une enceinte un son puissant, ouvert et naturel. Si la dispersion d’un haut-parleur est mauvaise, il semblera plus que le son provienne du haut-parleur plutôt que d’un vrai chanteur ou d’un instrument. Une mauvaise dispersion dans le médium peut également créer une coloration "mains en coupe" dans les voix, comme si les chanteurs avaient les mains en coupe autour de la bouche.

Vous avez peut-être déjà compris quel est le plus grand dilemme dans la conception des haut-parleurs : plus le haut-parleur est petit, plus sa dispersion est large (voir le tableau des mesures ci-dessous, cliquez sur la photo pour l’afficher dans une fenêtre plus grande) ; cependant, plus le haut-parleur est petit, moins il peut gérer les basses fréquences. Un peu plus de contemplation pourrait conduire à la réalisation que "le plus simple est le mieux" s’applique rarement aux locuteurs. Plus l’enceinte est simple, plus elle est susceptible d’avoir une combinaison de réponse en fréquence inégale, une mauvaise dispersion, un manque de réponse des graves et/ou des aigus et/ou une distorsion élevée.

Examinons les avantages et les inconvénients de certaines des configurations de haut-parleurs les plus populaires. Une remarque: il existe d’innombrables facteurs qui influencent les performances des haut-parleurs, y compris la conception et les matériaux des haut-parleurs, la conception et les matériaux du boîtier, le chargement des basses du boîtier, les pentes de croisement, etc. Cependant, ceux-ci sortent du cadre de cet article, qui traite spécifiquement des configurations de haut-parleurs. Pour une compréhension plus approfondie du fonctionnement interne des haut-parleurs, consultez le Loudspeaker Design Cookbook ou un autre ouvrage de référence approfondi.

Unidirectionnel (pilote unique, gamme complète)
Certains audiophiles et critiques sont attirés par les conceptions à pilote unique car ils pensent que l’élimination du circuit croisé pour diviser le signal audio en graves et aigus produit une plus grande pureté sonore. Le problème est que cela a un coût, qui est souvent extrême. Les haut-parleurs pleine gamme plus grands ont une réponse haute fréquence inégale et une dispersion extrêmement faible dans les aigus. Des haut-parleurs pleine gamme plus petits, comme le 3,5 pouces utilisé dans le haut-parleur Role Audio Sampan FTL récemment examiné ici, peuvent avoir une réponse dans les aigus assez douce et même une dispersion jusqu’à quelque part entre 5 et 7,5 kHz, de sorte qu’ils peuvent bien sonner, mais comme les fréquences de résonance de ces haut-parleurs ont tendance à être de 100 Hz ou plus, ils n’offrent que peu ou pas de réponse dans les graves. Par rapport à un tweeter décent d’un pouce, leur réponse dans les aigus ne sera pas aussi fluide et leur dispersion ne sera pas aussi large.

Cela dit, dans les produits à bas prix, les haut-parleurs à gamme complète sont parfois le meilleur choix. Je me souviens avec émotion des systèmes Cambridge SoundWorks au son exceptionnel et peu coûteux conçus par le légendaire Henry Kloss, qui comportaient des haut-parleurs large bande de 2,5 ou 3 pouces dans des boîtiers en forme de cube, complétés par un module de basses passe-bande bon marché mais efficace. J’ai souvent conseillé aux fabricants de barres de son à bas prix d’utiliser des haut-parleurs uniques à gamme complète au lieu de woofers et de tweeters séparés. à ces prix, il est presque impossible de trouver un tweeter au son décent et d’inclure un circuit de croisement approprié.

Les haut-parleurs avec de petits haut-parleurs pleine gamme, comme le Sampan FTL ou les Kvart & Bolge Sound Sommeliers (illustrés ici) ont leurs charmes, offrant souvent une réponse plate et une dispersion magnifiquement cohérente du bas médium au bas aigu, ce qui se traduit par une douceur et la reproduction naturelle de la voix. Cependant, ils ne sonnent pas aussi aérés ou spacieux qu’un haut-parleur avec un tweeter typique d’un pouce, et ils ne jouent pas très fort ou ne produisent pas beaucoup de basses. Mais ils peuvent être complétés par un subwoofer.

Je ne vois pas comment des haut-parleurs utilisant des haut-parleurs simples plus grands peuvent être considérés comme des produits haute fidélité. Certains audiophiles les aiment, mais d’après ce que je peux dire, leur attirance est plus philosophique que musicale. Les anomalies de réponse en fréquence et de dispersion introduites par ces enceintes sont faciles à entendre et à mesurer ; donc, à mon avis, il n’y a aucun moyen crédible d’appeler leur son naturel ou neutre. Certains de ces haut-parleurs ajoutent un super-tweeter pour une réponse des aigus plus étendue, mais leur réponse en fréquence globale sera toujours approximative et leur dispersion étroite dans les aigus inférieurs et les médiums supérieurs.

Il existe également des haut-parleurs électrostatiques et magnétoplanaires à gamme complète, tels que ceux fabriqués respectivement par MartinLogan et Magnepan. Il s’agit d’une toute autre affaire car ils rayonnent le son vers l’arrière et vers l’avant, ce qui permet de contrer les problèmes de dispersion causés par les grandes surfaces rayonnantes des panneaux. Beaucoup de ces haut-parleurs utilisent des panneaux incurvés pour élargir leur dispersion. Ils ne peuvent pas fournir des basses profondes à des volumes élevés ou le type d’image focalisée qu’un bon haut-parleur dynamique (c’est-à-dire, des cônes et des dômes) peut produire, mais de nombreux audiophiles et critiques considèrent que ces haut-parleurs sont parmi les meilleurs disponibles à tout moment. le prix.

Les haut-parleurs bidirectionnels (woofer/tweeter)
combinant un seul woofer et un seul tweeter sont les plus courants, et certains audiophiles et critiques les considèrent comme les meilleurs, citant souvent la maxime "plus simple est mieux". Encore une fois, cette notion ne s’applique pas. Oui, les haut-parleurs à deux voies sont généralement plus simples que les modèles à trois voies, mais cette simplicité nécessite un compromis qui a tendance à se produire à des fréquences comprises entre deux et quatre kHz, là où l’oreille est la plus sensible.

Le problème avec les haut-parleurs bidirectionnels se produit au point de croisement, la fréquence à laquelle le son est transmis du woofer au tweeter. Comme nous l’avons vu plus haut, plus le woofer est grand, plus sa dispersion commence à se rétrécir à des fréquences plus élevées. Ainsi, lorsque vous passez des médiums aux aigus, la dispersion se rétrécit à l’approche du point de croisement, puis s’ouvre à nouveau au fur et à mesure que le son passe au tweeter, qui mesure généralement un ou 0,75 pouce de diamètre et disperse ainsi largement le son jusque dans l’octave du haut des aigus (entre 10 et 20 kHz).

Une solution consiste à utiliser un woofer plus petit, auquel cas vous sacrifiez la réponse des basses. Ou vous pouvez déplacer le point de croisement plus bas, de sorte que le woofer ne soit pas actif aux hautes fréquences. Mais ensuite, vous commencez à exercer une pression excessive sur le tweeter, qui n’a probablement pas assez de zone de rayonnement ou d’excursion (mouvement d’avant en arrière) pour reproduire ces basses fréquences.

Évidemment, de nombreux concepteurs d’enceintes ont fait ce compromis avec succès car il existe d’innombrables enceintes bidirectionnelles qui sonnent bien. À quelques exceptions près, je préfère les haut-parleurs bidirectionnels avec des tweeters d’un pouce et des woofers ne dépassant pas 5,25 pouces, avec des points de croisement d’environ 2,2 kHz environ. Bien sûr, n’importe quel haut-parleur bidirectionnel peut être complété par un subwoofer.

Il y a cependant deux exceptions ici. Premièrement, certains haut-parleurs haute fréquence ont une réponse suffisante dans le milieu de gamme pour pouvoir être croisés en toute sécurité avec un woofer à une fréquence inférieure, généralement entre 800 Hz et 1,5 kHz. Ceux-ci incluent des tweeters à pavillon utilisant des pilotes de compression (et non des tweeters à dôme avec un guide d’ondes en forme de corne), certains tweeters à ruban et des panneaux électrostatiques et magnétoplanaires. C’est pourquoi la conception bidirectionnelle fonctionne bien, par exemple, dans les haut-parleurs à pavillon de JBL et Klipsch, ainsi que dans les haut-parleurs électrostatiques bidirectionnels de MartinLogan.

L’autre exception est que les grands woofers avec une faible masse mobile et une sensibilité élevée peuvent produire des médiums au son naturel et peuvent être croisés à des fréquences relativement élevées. Souvent, le woofer aura un contour plissé (la partie qui relie le cône au panier) au lieu du contour en demi-rouleau plus courant. Avec l’un d’eux, vous pouvez obtenir un son complet à partir d’un bidirectionnel. Les exemples incluent les moniteurs professionnels JBL M2 (illustrés ici) et les haut-parleurs DeVore Fidelity Orangutan.

Trois voies (woofer/médium/tweeter)
La plupart des concepteurs d’enceintes que je connais considèrent qu’une conception à trois voies est le meilleur choix global. Une conception à trois voies vous donne l’avantage des petits haut-parleurs large bande décrits ci-dessus: une réponse en fréquence plate et une dispersion constante sur la majeure partie de la gamme vocale. En effet, les points de croisement se situent généralement entre 300 et 600 Hz entre le woofer et le médium et entre 2,8 et 4 kHz entre le médium et le tweeter. Vous obtenez la large dispersion d’un tweeter d’un ou de 0,75 pouce sans vous soucier de la distorsion ou de la défaillance du tweeter. Le concepteur est également libre d’utiliser un woofer plus grand (ou deux ou trois) pour obtenir une réponse des basses plus profonde. Un haut-parleur à trois voies bien conçu peut offrir une gestion de puissance élevée, un son extrêmement naturel sans anomalies majeures de l’équilibre tonal et des performances mesurées proches de la perfection.

Cela ne veut pas dire que les haut-parleurs à trois voies sont parfaits à tous points de vue. Les haut-parleurs qui utilisent un haut-parleur de milieu de gamme de la même taille ou légèrement plus petit que le woofer sont courants ; ils joueront plus fort que les haut-parleurs avec des pilotes de milieu de gamme plus petits, mais ils ne fournissent généralement pas cette dispersion de milieu de gamme toujours large. De plus, j’ai entendu des haut-parleurs à trois voies où le haut-parleur de médium était croisé sur un gros woofer à une fréquence trop élevée, ce qui rend les voix anormalement gonflées parce qu’elles proviennent d’un gros woofer.

Il est également difficile de fabriquer une enceinte à trois voies à faible coût. Le concepteur doit ajouter le pilote de milieu de gamme, un boîtier interne séparé pour le pilote de milieu de gamme, un boîtier plus grand dans l’ensemble et généralement deux ou trois inductances supplémentaires, deux ou trois condensateurs supplémentaires et une résistance supplémentaire. Multipliez le coût de ces pièces supplémentaires par cinq ou six fois pour obtenir l’augmentation du prix de détail, puis ajoutez un peu plus pour une expédition plus coûteuse, et vous commencez à comprendre pourquoi il y a peu d’enceintes à trois voies à moins de 400 $ la paire.

Une variante courante du haut-parleur à trois voies est le haut-parleur à deux voies et demie. Cela utilise généralement un tweeter et deux ou trois woofers correspondants. Le woofer le plus proche du tweeter est croisé normalement avec le tweeter. Les woofers en dessous sont filtrés passe-bas, généralement de 300 à 800 Hz, ils augmentent donc la sortie des basses du woofer supérieur mais restent généralement en dehors des médiums. Si vous faisiez fonctionner tous les woofers en parallèle, en les croisant jusqu’au tweeter, ils interféreraient les uns avec les autres dans les médiums, produisant des faisceaux sonores étroits verticalement (appelés "lobes") à certaines fréquences. Alors que les conceptions à deux voies et demie vous donneront plus de basses que les modèles à deux voies comparables, elles présentent toujours les mêmes défis que les enceintes à deux voies lorsqu’il s’agit de sélectionner le bon point de croisement entre le woofer et le tweeter.

Quatre et plus
Une fois que vous entrez dans des modèles plus chers, les haut-parleurs à quatre et cinq voies deviennent courants. Pour la plupart, ce sont essentiellement des modèles à trois voies avec un grand woofer ajouté pour des basses plus profondes. Ils ont tous les avantages des modèles à trois voies avec encore plus de basses, mais à un coût plus élevé. Une conception à quatre voies est particulièrement bénéfique pour les haut-parleurs avec des croisements de premier ordre en raison des contraintes qu’ils imposent à leurs haut-parleurs.

Je viens de gratter la surface de ce sujet ici, et je vous encourage à en apprendre davantage à ce sujet en lisant le LDC ou un autre bon livre de référence sur les haut-parleurs.