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Why Horn ? (Pourquoi des pavillons ?)

Why Horns ? article original traduit de l’anglais avec l’aimable autorisation de Bjørn Kolbrek 1.

Pourquoi des pavillons acoustiques ?

Alors que la puissance d’amplification est devenue énorme et peu coûteuse quelles peuvent-être les raisons d’utiliser ces grandes enceintes de nos jours alors que tout devient plus petit, plus performant et moins cher ? Est-ce vraiment mieux d’ailleurs ?  Et les pavillons (Horn) sonnent-ils bien ? Ne sont-ils pas plein de résonances qui colorent le son ? Et qu’en est-il du niveau de distorsion d’un pavillon ? Nous avons déjà tous entendu de mauvais systèmes de sonorisation ou des mégaphones, qui tous les deux utilisent des pavillons. Est-ce vraiment comme cela que sonnent les pavillons ?

Contexte historique

Dès les premiers temps de la reproduction sonore, le pavillon a été considéré comme un mal nécessaire trop grand et inadapté pour un usage domestique. Sa taille pouvait être acceptable pour un système de sonorisation ou pour un théâtre, mais pour un usage domestique, même dans les phonographes, sa taille a été réduite au maximum jusqu’à introduire de sévères résonances. Seul un très petit nombre de passionnés  acceptaient de grands gramophones ou de grandes enceintes à pavillon.

Dans le bon vieux temps les pavillons étaient nécessaires. Pour un phonographe  c’était le seul moyen d’obtenir un niveau sonore suffisant et pour une enceinte l’efficacité était très importante car la puissance d’amplification était très chère.

De nos jours les pavillons sont principalement utilisés pour les systèmes de sonorisation en raison de leur efficacité élevée et  de leur capacité à contrôler la directivité. Même si la puissance d’amplification est peu coûteuse, une efficacité élevée est nécessaire pour obtenir un niveau sonore élevé sans trop de haut-parleurs.

L’utilisation des pavillons  en sonorisation est donc évidente mais qu’en est-il de l’utilisation à domicile ? Le besoin de deux haut-parleurs pour la stéréo à fait disparaître de nombreuses enceintes utilisées pour une reproduction mono, et comme la puissance d’amplification est devenue moins chère (l’introduction du tube 6L6 a beaucoup aidé), des enceintes plus petites et des amplis plus puissants sont devenus la tendance. Mais vint le renouveau de l’ampli à lampe triode single ended (à terminaison unique). Avec des puissances de sortie de l’ordre de 2 à 10 Watts et des enceintes d’une sensibilité habituelle de 80-90db/1w/1m l’ampli atteignait son niveau d’écrêtage à des niveaux acoustiques très bas, avec comme résultat une utilisation acceptable pour du jazz simple, l’intermodulation devenant trop évidente sur des sons plus complexes. Une solution s’imposait et d’anciens modèles d’enceintes à pavillon comme les Altec lansing voix du théatre, Klipschorns et Lowther / Voigt  devinrent populaires. Avec des sensibilité comprises entre 100 et 110db/1w/1m des niveaux sonores réalistes pouvaient être atteint avec seulement 1 ou deux watt d’amplification.

Pour illustrer la différence, supposons que nous ayons deux enceintes :
-1-  une enceinte à radiation directe d’une efficacité de 88dB / 1W / 1m
-2-  une enceinte à  pavillon avec une efficacité de 110dB / 1W / 1m.
De quel amplificateur aurons-nous besoin pour reproduire 105 dB SPL et 120 dB SPL à 1 m de distance ?
On pourrait penser que personne ne joue de la musique à 120dB SPL, mais considérons cela comme un SPL de pointe, et que le niveau moyen sera un peu plus bas, en fonction du facteur de crête de la musique. Dans tous les cas, les pics ne devraient pas être coupés.

SPLPuissance  -1-  en WPuissance  -1- en dBPuissance -2- en Wpuissance -2 – en dB

105dB SPL

50W

+17dB

0.32W

-5dB

120dB SPL

1590W

+32dB

10W

+10dB

Ceal veut dire qu’avec une enceinte à pavillon on peut avoir des niveaux sonores réalistes avec seulement 10W (un ampli triode signe ended 300B ou même un 2A3). Et nous avons encore une réserve de puissance conséquente.
Mais les pavillons n’ont pas seulement l’avantage d’une sensibilité élevée, beaucoup d’autres avantages viennent de cette propriété.

Compression thermique

Pour une enceinte ayant une sensibilité peu élevée, la majeur partie de la puissance fournie — entre 95 et 99,9% — chauffe la bobine du haut-parleur et seulement 0,1 à 5% est utilisée pour produire du son. Cette élévation de température provoque une augmentation de la résistance de la bobine mobile ce qui réduit la puissance de l’amplificateur. Pour maintenir le même niveau sonore il faut augmenter le volume des amplis, chauffer les bobines mobiles encore plus et ainsi de suite. Dans l’exemple ci-dessus, en supposant que le haut-parleur de l’enceinte -1- puisse accepter 1590W, il est douteux que le niveau sonore soit de 120db car l’efficacité diminue considérablement lorsque la résistance de la bobine mobile augmente.

Distorsion

Aucun haut-parleur n’est parfaitement linéaire. Pour un haut-parleur la distorsion est plus ou moins proportionnelle au déplacement de la membrane. Aux grandes amplitudes de la membrane il y a une variation du facteur force (BL, champs magnétique dans lequel est plongée la bobine) et la suspension n’est plus linéaire. Plus les amplitudes sont faibles moins il y aura de distorsion. La plupart des gens ne connaissent pas les chiffres de distorsion des haut-parleurs et les constructeurs ne les citent presque jamais car il peuvent atteindre 10% en excursion maximale. On peut d’ailleurs se demander si cela fait une différence si l’ampli utilisé pour une telle enceinte a un THD (Taux de distorsion harmonique) de 0,1% ou de 0,00001%…
Comme nous le verrons, la charge pavillonnaire d’un haut-parleur réduit l’amplitude de la membrane, au lieu de quadrupler l’excursion pour chaque octave inférieur, il n’y a qu’un doublement de l’excursion pour chaque octave. Pourquoi ça ? Le secret est de donner au haut-parleur une charge résistive plutôt qu’une charge réactive. Regardons ça de plus près.

Voici un schéma simplifié d’un haut-parleur électrodynamique :

M_{at} est la masse mobile totale.

R_{at} est le total des pertes dans le haut-parleur, incluant la résistance de la bobine et les frictions.

C_{at} est la rigidité de la suspension mécanique du haut-parleur.

R_{al} est la charge acoustique où le mouvement de la membrane est converti en puissance acoustique. P=V^2R_{al} c’est à dire que la puissance acoustique est égale au carré de la vitesse de la membrane multiplié par la charge acoustique.

Regardons maintenant comment R_{al} varie en fonction de la fréquence pour un haut-parleur de  10″ (26cm) :

La courbe noire est la partie résistive de l’impédance de rayonnement, où la puissance acoustique est dissipée, c’est R_{al}. Pour les basses fréquences c’est très bas mais il augmente de 6db par octave jusqu’à la fréquence où la longueur d’onde est égale à la circonférence du haut-parleur (kr=1). Cela signifie qu’en dessous de cette valeur, la réponse du haut-parleur est largement contrôlée par les réactances dans le système. Pour les basses fréquences, en dessous de la résonance, C_{at} contrôle la réponse, et puisqu’il s’agit d’un filtre d’ordre 1, il augmente de 6db par octave. Comme R_{al} augmente lui aussi de 6db par octave on a une pente d’atténuation de la réponse de 12db par octave en dessous de la valeur de la résonance.
Pour la valeur de la résonance l’efficacité est à son maximum. Au dessus de la résonance, à cause de M_{at}, la réponse diminue de 6db par octave mais comme R_{al} augmente de 6db par octave la réponse est plate jusqu’à kr=1, où R_{al} s’aplatit et la réponse diminue à nouveau à cause de la masse. Habituellement la réponse s’étend plusieurs octaves au delà car la masse effective est moindre.

Si la vitesse de la membrane était constante, la puissance de sortie augmenterait de 6db par octave. Mais comme nous l’avons vu, à cause de la masse, la sortie est plate dans la zone appelée  “masse contrôlée” (entre la résonance e et kr=1), ce qui veut dire que la vitesse de la membrane doublera quand la fréquence sera réduite de moitié, ce qui signifie que le déplacement de la membrane est bien multiplié par 4 pour chaque octave inférieur.

Maintenant regardons ce qu’il se passe pour un pavillon :

C’est la résistance de rayonnement observé au niveau de la gorge d’un pavillon infini accordé à 40Hz. Comme nous pouvons le voir R_{al} croît très rapidement jusqu’à sa valeur finale. Cela veut dire que R_{al} définira la réponse jusqu’à des fréquences assez basses.
Repartons à nouveau des basses fréquences, il y a une prédominance de C_{at}, mais ce dernier atteint rapidement la valeur de R_{al} et la réponse est alors plate. Quand la fréquence augmente, on atteint un point où M_{at} comment à prendre le dessus et à diminuer le niveau de réponse. Entre ces deux fréquences R_{al} est le facteur prédominant et le pavillon ne présente aucune résonance.
Quand on travaille à résistance constante, la vitesse de la membrane doit être constante pour avoir une puissance de sortie constance en fonction de la fréquence, ce qui signifie que lorsque la fréquence est réduite de moitié, le déplacement de la membrane ne fait que doubler.

Si nous regardons cela sur plusieurs octaves on voit un avantage conséquent du pavillon sur un design à radiation directe. Prenons l’exemple du passage de 800Hz à 50Hz, ce qui nous fait un intervalle de 4 octaves. Considérons pour un design à radiation directe un déplacement de 0,1 mm à 800Hz, en restant dans la zone “masse controlée” on aura un déplacement de 25,6 mm à 50Hz  (0,1 \times 4^4 ), alors qu’un design à pavillon aura seulement un déplacement de 1,6 mm (0,1 \times 2^4 ). Ce qui fait une différence conséquente !

Vient alors la distorsion dans le pavillon lui même. C’est un problème assez important en sonorisation où la pression sonore est très élevée. Cela a souvent été un argument contre les pavillons, ils présentent une distorsion élevée au niveau de la gorge à cause de la non linéarité de l’air. Dans leurs recherches sur ce qui contribue au “son du pavillon”, Keith Holland et ses collègues de l’Institute of Sound and Vibration Research ont étudié cette question, à la fois par des simulations et des mesures.

Le schéma suivant montre les niveaux des différents harmoniques au niveau de la gorge pour une onde sinusoïdale sans distorsion de 150 dB SPL à l’embouchure du pavillon. La coupure est juste au-dessus de 300Hz.

A ce niveau, à 1Khz, le taux de distorsion harmonique de rang 2 est environ 30 db en dessous de la fondamentale (harmonique de rang 1), soit environ 3% de distorsion. Notez également que la distorsion augmente pour des fréquences très supérieures à la fondamentale.

Qu’en est-il pour des niveaux inférieurs ? Voici les courbes qui donnent le niveau des harmoniques à 1 Khz en fonction du niveau de sortie :

Donc, à 110db au niveau de la bouche du pavillon, la la deuxième harmonique est environ 65db en dessous de la fondamentale (soit 0,05% de distorsion harmonique NDLR). Sur cette base on peut conclure que la distorsion du pavillon due à la non linéarité de l’air est très faible pour des niveaux sonores pratiqués pour une écoute à domicile et sera probablement dépassée par la distorsion du haut-parleur lui même.

Comparons cela à une radiation directe.
Voici les mesures effectuées par Klipsch sur un pavillon de milieu de gamme et un haut-parleur de 8 pouces.
F1 est à 540Hz @ 100dB SPL @ 2 pieds, F2 est 4400Hz @ 92dB SPL @ 2pied. Echelle de 10 db.
Le spectrogramme supérieur est celui du pavillon. La distorsion d’intermodulation, incluant la distorsion du haut-parleur, est d’environ 1%. Celui d’en dessous montre le spectrogramme du design à radiation directe, avec une distorsion d’intermodulation d’environ 10%.

 

Amortissement et dynamique

Il est bien connu que les pavillons ont un son dynamique et “en avant”. Les transitoires sonnent souvent plus comme des transitoires, donc les percussions semblent plus réelles. Pourquoi ? Laissez-nous d’abord comparer certains aspects des radiations directes et des pavillons:

Radiation directePavillon
MembraneLourdeLégère
AimantUsuellement basUsuellement élevé
Méthode d’amortissementÉlectrique, la faible impédance de sortie de l’amplificateur doit court-circuiter le retour de forces électromotricesAcoustique par le pavillon, le  facteur d’amortissement de l’amplificateur est moins critique.
Courants des forces électromotricesÉlevé en raison de la grande vitesse et de la masse de la membraneBas, en raison de la faible vitesse et de la masse de la membrane.
ResonancesDoit être amorti en court-circuitant les forces électromotrices de retour ou en introduisant des pertes. Largement incontrôlé.La membrane est amortie par la résistance acoustique du pavillon

La combinaison de résonances bien amorties et d’une petite masse mobile se déplaçant sur une courte distance et entraînée par une bobine immergée dans un champ magnétique puissant entraîne une réponse rapide. Voici la réponse impulsionnelle d’un Altec 288B sur un tube à onde plane:

La conséquence  de ceci est une présentation rapide et dynamique des transitoires. Certains peuvent argumenter que tant que la réponse en fréquence est plate, la reproduction des transitoires sera parfaite. Mais cela ne s’applique qu’à un système à phase minimale. Un haut-parleur n’est pas un système à phase minimale. Il y a des retards dans le temps, des résonances, la masse doit être accélérée et décélérée, et la masse effective de la membrane change avec la fréquence. Obtenir une réponse en fréquence plate ne va pas tout résoudre. Mais si nous obtenons tout d’abord une bonne réponse impulsionnelle, les autres paramètres seront bons eux aussi.

Progrès ?

Qui ne voudrait pas avoir une réponse impulsionnelle comme celle présentée ci-dessus ? C’est une compression de 1956, parfaitement adaptée à la charge. Cela nous amène à nous demander s’il y a vraiment eu des progrès dans l’art de la reproduction sonore depuis lors. Et bien évidemment qu’il y a eu des progrès. Mais en même temps qu’il y a eu de grands pas en avant, il y a aussi eu des pas en arrière. Nous avons progressé dans certains domaines et reculé dans d’autres. La fréquence haute de la zone “masse contrôlée” d’une compression est quasiment inchangée depuis les années 1920. Mais on a augmenté le niveau de sortie sonore en travaillant sur les membranes et en utilisant des suspensions plus raides. Ceci a pour conséquence que la limite inférieure de la zone “masse contrôlée” a augmenté et que l’amplitude de cette zone a donc diminué. Le Western Electric 555W était contrôlé dans la zone 50Hz – 3Khz, L’altec 288B était comparable. Le JBL 2470 (diaphragm phenolic) est utilisable jusqu’à 500Hz environ, voir les mesures ci-dessous. En rouge l’Altec, en noir le JBL.

Pourquoi est-ce arrivé ? Depuis le milieu des années 1930, les pavillons et les drivers ont été développés par l’industrie Public Adress, où les principaux objectifs étaient la haute puissance, le rendement élevé et le contrôle de la directivité. L’utilisation de pavillons est le seul moyen d’obtenir ceci. Mais d’autres facteurs importants, qui sont devenus de plus en plus importants, sont la taille et le coût. Les pavillons de basse sont grands, lourds et chers. Ainsi, l’industrie a évolué vers des moteurs à cône et des enceintes bass reflex en entrée de gamme, et a poussé la gamme de des charges à pavillon de plus en plus haut. Les charges à pavillon en dessous de 2-3kHz n’est pas très fréquent dans les systèmes récents, et c’est en fait la limite supérieure de la région contrôlée par résistance de la plupart des haut-parleurs ! Alors pourquoi les systèmes de sonorisation semblent-ils souvent criards et méchants ? Ils utilisent des haut-parleurs de pavillon pour des fréquences qu’ils ne peuvent pas atteindre sans rupture de diaphragme, ce qui en soi est non linéaire et incontrôlée. En outre, ils utilisent souvent des pavillons coniques pour le contrôle de la directivité, et les pavillons coniques n’ont pas beaucoup de résistance à offrir au haut-parleur dans la zone de fréquences importantes. Les haut-parleurs modernes sur les pavillons modernes ne fonctionnent en fait pas dans la zone contrôlée du tout …

Alors, pourquoi des pavillons ?

D’après ce qui précède ce devrait être très clair. Si cela est fait correctement, la charge pavillonnaire donne des avantages énormes en dynamique et en réduction de distorsion. Et cela signifie tout simplement qu’un haut-parleur de pavillon doit être utilisé dans sa zone de résistance contrôlée, associé à un pavillon qui offre au haut-parleur une charge résistive élevée constante.
En adoptant juste la pratique actuelle de la sonorisation on ne peut pas s’attendre à expérimenter ce que les pavillons ont réellement à offrir. Mais en explorant l’art ancien du pavillon, on peut avoir des basses précises, des médiums dynamiques et des aigus propres, le tout présenté avec une pureté et un détail inégalés par les autres enceintes.


1 Bjørn Kolbrek est un chercheur en acoustique norvégien, il est titulaire d’un doctorat sur la propagation d’une onde dans une enceinte à pavillon modélisée avec une méthode existante mais des hypothèses plus proches de l’utilisation réelle d’une enceinte à pavillon. Il est membre de l’Audio Engineering Society (AES) et ingénieur acoustique senior chez Célestion.
Comme de nombreux passionnés de son il est aussi bassiste à ses heures.

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