Pour la réalisation du filtre, je me suis inspiré de la méthodologie décrite par J. D’Appolito :
Ne pas tenir compte de l’efficacité car celle-ci n’est pas calibrée avec Speaker Workshop. Lors des mesures, il faut bien faire attention à réaliser toutes les mesures (woofer et Tweeter) dans la même configuration sans changer ni la position du micro ni la sensibilité de la chaîne. Compte tenu du fenêtrage (5,3 ms), la bande passante utile de la mesure est de 200 Hz à 48 KHz avec une carte son capable d'échantillonner à 96 KHz, ici une Creative Labs X-FI (cf. Le Haut-parleur : Manipulations et mesures électro-acoustiques). Il faut prendre avec précaution les données au delà de 20 KHz à cause de la bande passante de la chaine complète (ampli, micro, préampli micro, câblage).
La mesure en champ proche permet de vérifier la réponse dans le grave conforme aux résultats attendus pour une enceinte close. Elle se fait en mettant le micro très proche (moins d'un centimètre) du cône du haut-parleur. Cette mesure ne prend pas en compte l'effet de diffraction due au baffle de l'enceinte. Comme le microphone est très prêt du woofer, les effets parasites de réflexion au sol sont minimisés. On peut donc avoir une très longue fenêtre temporelle qui permet à son tour de mesurer très bas dans le grave.
Figure 13
Réponse du woofer
à
Figure 14 Réponse du woofer en champ proche (mesure de l'extrème grave) Enceinte close
Figure 15 Impédance du woofer dans l'enceinte close
Note : Les mesures ont été faites avec un micro Behringer ECM8000 (~50€) non calibré monté sur un pied avec une perche d’environ 1m de long et un préampli Behringer Tube Ultragain MIC100 (~60€). Il existe sur le web des fichiers de correction de la courbe de réponse de l’ECM8000, mais cela joue sur quelques dB à haute fréquence (plus de 15.000 Hz).
L'amplificateur est un Denon des années 90, un PMA-520A, qui a une réponse en fréquence dépassant les 50KHz.
La carte son est une Creative Labs X-FI capable d'échantillonner le signal à 96KHz et qui a une courbe de réponse très plate jusqu'à 48 KHz (-1dB).
La courbe est obtenue en mesurant la réponse impulsionnelle du haut-parleur et en prenant ensuite la transformée de Fourier (FFT) sans courbe de pondération mais en prenant soin de placer le curseur de fin juste avant le signal du premier rebond. La fenêtre faisant environ 5ms, cela nous donne une fréquence minimale d'environ 200 Hz.
Notez la résonance très marqué du haut-parleur L15 à 8 Khz.
On note une bosse à environ 1,3 KHz, suivie d'un creux à 3KHz et enfin une pente douce de 3KHz à 15KHz.
Attention: les tweeters à ruban doivent être mesurés avec une résistance et/ou une capacité en série. La résistance sert à protéger le tweeter (donné pour 15Watts) et la capacité pour protéger la source, le tweeter présentant une impédance nulle à basse fréquence.
Le ruban peut être déformé si on lui applique une trop grande puissance. La réparation passe par la fabrication d'un nouveau ruban, ce qui est expliqué sur le site: http://www.troelsgravesen.dk/diy_loudspeaker/JP3%20Ribbon%20Replacement.pdf
Figure 16 Réponse du tweeter à 1m dans l’axe
Figure 17
Impédance du tweeter dans l'enceinte
On note une courbe de réponse assez complexe, avec un premier pic à 1500 Hz, suivi par un creux à 3000Hz suivi par une pente positive de 3KHz à 15 KHz. La chute dans les extrèmes aigus est surement due à la chaine de mesure. La courbe d'impédance est très plate à partir de 1KHz.
La fréquence de coupure a été choisie à 3KHz. En effet , il faut couper assez tôt le woofer pour limiter les effets de la résonance à 8KHz et le tweeter ne doit pas déscendre trop bas, car la distorsion remonte rapidement en dessous de 2,5 KHz (cf Zaph Audio). Un filtrage avec une réponse acoustique de type LR 4ième ordre s'est naturellement imposé.
Le filtre est élaboré à partir d’une simulation faite avec Speaker Workshop qui permet soit de jouer avec les composants et de regarder la réponse correspondante soit de passer par l’optimiseur qui calcule les composants pour obtenir une réponse acoustique. C'est cette méthode que j'utilise, suivie par une variation des paramètres pour affiner la courbe de réponse (en fait des heures à peaufiner le filtre !). En effet le nombre de composants peut devenir rapidement important, comme dans l'exemple ci-dessous. Le filtre bouchon (C2, LB1,RB1) a pour but de supprimer le pic à 1500 Hz dans la réponse du tweeter. A noter que la réponse de type LR4, hors circuit bouchon, est obtenue avec seulement 2 composants (C1 , L1) en utilisant la réponse naturelle du tweeter.
Figure 19 Réponse du tweeter avec le filtre N°1
Peux t'on obtenir une courbe satisfaisante sans circuit bouchon? Le filtre 2 apporte la réponse. Bien que la réponse soit un peu plus torturée, en particulier en dessous de 3KHz, elle semble acceptable.
Figure 21 Réponse du tweeter avec le filtre N°2
Malheureusement, ce filtre se mariait mal avec le filtre du woofer(voir plus bas) et créait autour de 3 KHz des perturbations dans la courbe de réponse. La réponse réele de l'enceinte tenait dans +/- 3 dB.
Enfin, j'ai essayé un filtre du 4ième ordre (deux cellules LC) associé à une self en série pour compenser la pente montante du JP3 entre 3KHz et 15 KHz. Ce filtre, dans sa structure, est très proche des filtres utilisés par Troels Gravesen (http://www.troelsgravesen.dk/Diy_Loudspeaker_Projects.htm).
Le filtre complet (woofer + tweeter) est représenté ci dessous:
Figure 22 Filtre complet N° 3
Pour le woofer, j’ai copié sans honte (shameless copy) le filtrage proposé par John "Zaph" Krutke qui est lui aussi un LR du quatrième ordre acoustique et qui amortit très bien les résonances du haut-parleur vers 8 KHz. J'ai modifié la valeur des composants pour avoir une fréquence de coupure à 3KHz A noter que le filtre prend en compte en partie la compensation du bafflage qui introduit une perte de 6 dB aux fréquences basses et des ondulations aux fréquences hautes (calculé avec le logiciel "The Edge"):
Figure 23 : Influence du baffle sur la réponse en fréquence
Figure 24 Réponse filtrée du woofer
Le filtre à l’issue de la simulation est présenté ci-dessous. La résistance de 0.05 Ohm est celle de la self. La self L1 assure le filtrage du woofer en association avec le circuit bouchon en charge d'atténuer le pic de résonance du haut-parleur à 8KHz.
La comparaison des réponses impulsionnelles (non montrée dans ce document) a permis de déterminer un décalage de 2,7 cm entre les centres acoustiques du tweeter et du woofer par rapport au micro placé à 1m. Les filtres ont été déterminés après avoir enlevé l’excès de phase dû au trajet enceinte-micro et prise en compte de cette différence de trajet.
La réponse escomptée de l’enceinte est donnée ci-dessous. Notez que les deux haut-parleurs se somment bien à la fréquence de coupure, chacun étant atténué de 6 dB. La courbe tient dans +/- 2 dB de 500 Hz à 20 KHz.
Note : La fréquence de coupure simulée est à 3,5 KHz pour 3KHz calculée; on verra que la fréquence de coupure réelle est bien à 3KHz (figure 28). Il faudrait refaire toutes les mesures avec les haut-parleurs montés, mais sans filtre.
Figure 25 : Réponse simulée de l’enceinte
Figure 26 : Réponse simulée de l’enceinte avec woofer inversé
Le filtre est monté sur deux plaques de circuit imprimé montées perpendiculairement sur la face arrière de l’enceinte ( un CI pour le woofer et un CI pour le tweeter). Pour cela j'ai réalisé les deux circuits imprimés suivant une méthode simple que je décrirais plus tard , mais qui est expliquée en anglais sur le site: http://www.raymondaudio.nl/index.html
Figure 27 : Photos des filtres
Figure 28
Réponse de l’enceinte à
La figure suivante permet de comparer la réponse mesurée et la réponse simulée de l’enceinte. On note une différence assez importante dans la courbe de réponse de 1 KHz à 3 KHz, avec une courbe plus lissée et une fréquence de coupure située à 3KHz. La courbe est plate à +/- 2 dB de 500 Hz à 20 KHz. On peut faire un zoom entre 60 et 70 dB:
Note : les courbes ne sont pas lissées.
Figure 30 Impédance de l’enceinte close
Figure 31
Impédance de l’enceinte bass reflex
(jusqu'à 5 KHz)
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P.U. TTC (€) |
QTE |
P.T. TTC (€) |
Commentaires |
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woofer |
75 |
2 |
150 |
Intertechnik |
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Tweeter |
60 |
2 |
120 |
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Bois |
35 |
1 |
35 |
Castorama |
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Placage |
45 |
1 |
45 |
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Amortissant |
20 |
|
20 |
Riviera Acoustique |
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|
Bitume |
20 |
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20 |
Riviera Acoustique |
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Visserie |
20 | 20 | ||||
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Event |
3 |
2 |
6 |
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Bornier |
10 |
1 |
10 |
Vendu par 2 paires |
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Filtre (composants) |
40 |
2 |
80 |
Selectronic |
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CI pour filtre |
5 |
2 |
10 |
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Total |
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516 |
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Après plusieurs mois d’efforts, le résultat est à la hauteur de mes espérances. L’écoute a permis de confirmer les qualités du tweeter, ainsi que ses défauts liés à la technologie. La nécessité d'un filtrage énergique pour contrôler les deux haut-parleurs se paye par une complexité importante. On est loin de la capacité en série avec le tweeter et la self en série avec le woofer.
Le coût de la réalisation est élevé, fortement lié au prix des haut-parleurs (270€ pour une paire d'enceintes) et aux composants du filtre qui ne fait pas pour autant appel à des composants haut de gamme.. La réalisation d'enceintes acoustiques reste plus une passion qu'un investissement rentable....
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