Choisir la puissance de l'amplificateur ou comment éviter la casse

Comment choisir un amplificateur de puissance en fonction de la puissance de mes enceintes ? Puis je utiliser un amplificateur moins puissant que la puissance de mes enceintes ? Plus puissant ? Vais-je endommager mon ampli ? Mes haut-parleurs ? Voilà la réponse justifiée par quelques considérations théoriques.

Question souvent existentielle : quelle puissance choisir pour l’amplificateur ?

Contrairement à ce qu’on pourrait croire c’est souvent l’utilisation d’un ampli sous-dimensionné qui crée des problèmes lors de l’utilisation. En effet, pour fonctionner correctement et générer la meilleure qualité sonore les enceintes nécessitent une alimentation suffisamment puissante délivrant un signal non écrêté et non distordu. Au minimum l’amplificateur devra délivrer la puissance nominale des enceintes. Mais observons plus en détail ce qu’il se passe vraiment et quel est le risque d’endommager les haut-parleurs.

Comment endommager un haut-parleur ?

Il y a seulement deux manières d’endommager un haut-parleur et les deux proviennent d’un excès de puissance d’alimentation :

Mécaniquement
Thermiquement

Chaque haut-parleur possède une excursion limite (nommée Xlim dans les paramètres Thiele and Small) qui représente le déplacement maximum en mm de la membrane vers l’avant ou l’arrière. C’est la limite mécanique du haut-parleur. Cette limite reste la même quelle que soit l’utilisation du haut-parleur mais la puissance nécessaire pour l’atteindre dépend de l’enceinte (du type de charge) dans laquelle il est monté. Si cette limite est dépassée le haut-parleur pourra être mécaniquement endommagé, spider déchiré, bobine mobile qui se déteriore en venant talonner sur la plaque arrière du haut-parleur ou tout autre dommage mécanique.

Quant aux dommages thermiques ils apparaissent quand on dépasse la puissance thermique limite de la bobine mobile elle même. La bobine mobile est un simple enroulement d’un fin fil de cuivre qui est susceptible de fondre si la puissance fournie est trop élevée. Cette limite est plus ou moins constante, si une bobine mobile doit être endommagée à partir de 1 kw, elle sera endommagée à partir de 1 kw quoi qu’il arrive. Il y a ici deux croyances à démystifier. Malgré les efforts incessants de certains, il y a toujours beaucoup de personnes qui pensent que sous alimenter un haut-parleur ou l’alimenter avec un amplificateur qui écrête le signal (clipping en anglais) l’endommagera. Ces deux derniers points sont faux et nous allons voir pourquoi.

D’où vient cette puissance ?

Premièrement il faut comprendre quelle est la puissance potentielle d’un amplificateur qui écrête le signal. La puissance dépend principalement de la tension d’alimentation générée par l’alimentation électrique de l’ampli. Comparons deux amplificateurs, chacun connecté à une enceinte de 4 ohms et d’une puissance de 75 watts rms.

L’ampli 1 est d’une puissance de 50 watts c’est à dire qu’il peut générer un signal non distordu de 50 watts dans une charge de 4 ohms. On a $P=\frac{V_{rms}^2}{R}$ ce qui nous donne $V_{rms}=14,14V$ , la tension max est donc $V_{max}=\sqrt{2}\times V_{rms}=19,99V$ . La tension d’alimentation de cet amplificateur doit être un peu plus élevée pour éviter les distorsions à ce niveau de puissance. Dans notre cas elle sera donc d’environ 20V.

L’ampli 2 est d’une puissance de 75 watts c’est à dire qu’il peut générer un signal non distordu de 75 watts dans une charge de 4 ohms. . On a $P=\frac{V_{rms}^2}{R}$ ce qui nous donne $V_{rms}=17,32V$ , la tension max est donc $V_{max}=\sqrt{2}\times V_{rms}=24,49V$ .

Dans notre exemple l’ampli de 75W va délivrer 75W dans de bonnes conditions sans écrêter. En revanche dans des conditions extrèmes l’ampli de 50W sera utilisé à son maximum et va écrêter presque constamment à environ 20V et délivrer ainsi plus de puissance. La tension $V_ {rms}$ va se rapprocher de la tension $V_{max}$ et notre puissance délivrée va se rapprocher de $P=\frac{V^2}{R}=\frac{19,99^2}{4}=100$ watt. Il est clair qu’un amplificateur qui écrête constamment peut délivrer plus de puissance qu’attendu !

Puissance efficace

Maintenant nous allons pouvoir rentrer dans le vif du sujet et expliquer comment un haut-parleur peut-être endommager. C’est une question de puissance efficace.

Le facteur de crête est le rapport entre le niveau rms et le niveau max d’un signal. Un signal sinusoidal parfait (fonction sinus) a un facteur de crête de 3db, ce qui signifie que le niveau max est 3db au dessus du niveau rms. Comme nous savons que 3db représente une différence d’un facteur 2 ( $10 \times \log 2 = 3 db$ ), une autre façon de voir les choses est de considérer que la puissance max du signal est égale au double de la puissance efficace. Si on diffuse une sinusoïde avec un ampli juste en dessous de son niveau d’écrêtage, pour une puissance max de 50w, la puissance efficace que devra dissiper le haut-parleur sera de 25w. A l’opposé, un signal carré a un un facteur de crête égal à 0 db, autrement dit la puissance max et la puissance efficace seront égales. Notre même ampli diffusant ce signal carré avec une puissance max égale à 50w imposera donc à notre haut-parleur la dissipation de 50 watt efficace.

Gardons à l’esprit que cet exemple se réfère à des signaux simples. Un signal musical possède un facteur de crête bien plus élevé. En général les enregistrements ont un facteur de crête d’environ 10db, ce qui revient à une puissance max 10 fois supérieure à la puissance efficace. Si nous jouons un de ces enregistrements avec une puissance max égale à 50w, sans que l’ampli n’écrête, les haut-parleurs dissiperont 5w de puissance efficace. Quand l’amplificateur va commencer à écrêter la puissance max ne va pas changer alors que la puissance efficace elle va augmenter. Si nous réglons le volume d’entrée 6db plus haut, le facteur de crête va passer à 4db et le haut-parleur devra dissiper 20w ( $10 \times \log 2,5 = 4 db$ et $\frac{50}{2,5}=20$ watt. Comme on peut le constater ce n’est pas la distorsion du signal qui va endommager notre haut-parleur, c’est simplement l’augmentation de la puissance efficace que doit dissiper le haut-parleur. Si la puissance efficace reste en dessous de ce que votre haut-parleur peut supporter, peu importe que l’amplificateur écrête ou pas. A de hauts niveau de puissance, un amplificateur qui écrête génère plus de puissance efficace est c’est cela qui peut endommager les haut-parleurs.

Courant continu et écrêtage

L’un des mythes les plus fameux en ce qui concerne l’écrêtage est qu’il produit du courant continu. Cette croyance vient de la présence des portions horizontales d’un signal carré. Il est incorrect de penser qu’un signal carré est composé de courants continus positifs et négatifs. Le seul moyen pour ce signal d’être un courant continu serait qu’il y ait une valeur moyenne non nulle sur de longues périodes de temps. Si la polarité change constamment quand vous observez le signal, ce n’est tout simplement pas un courant continu. Quelle sont alors ces portions constantes ? Une combinaison de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques impaires (une combinaison des harmoniques paires donnerait un signal triangulaire).

Bobine mobile et écrêtage

Le dernier mythe est celui de la bobine mobile qui s’arrêterait, le temps d’un instant. L’idée est encore liée au signal carré, la bobine mobile ne bouge pas pendant les portions horizontales du signal. C’est simplement faux pour une variété de raisons. La membrane doit obligatoirement présenter un amortissement mécanique et toujours rester en mouvement. A voltage et excursion identiques, le refroidissement de la bobine mobile à n’importe quelle fréquence sera toujours le même, que l’amplificateur écrête le signal ou pas.

En conclusion

Au final il y a deux façons d’endommager un haut-parleur, mécaniquement et thermiquement, et le seul moyen d’y parvenir est d’utiliser une puissance d’entrée trop élevée (mécaniquement) ou une puissance moyenne trop élevée trop longtemps (thermiquement). Il n’y a pas de signal constant dans un signal distordu, la membrane ne va pas s’immobiliser, l’air qui circule autour de la bobine mobile (et la refroidit) est le même quel que soit signal audio, et l’écrêtage est acceptable si la puissance moyenne dans le temps est inférieure à la limite acceptable par le haut-parleur.

Si vous utilisez un amplificateur plus puissant que la puissance admissible des enceintes, ne l’utilisez pas à son maximum sinon vous allez risquer une casse mécanique de vos haut-parleurs. Si vous utilisez un amplificateur moins puissant que la puissance admissible de vos enceintes, ne l’utilisez pas à son maximum non plus, dans ce cas vous risquez de faire fondre les bobines des haut-parleurs.