Qui parmi nous n’a jamais réfléchi à ce qui compte le plus dans un système audio ? Le sujet revient souvent lorsque le coût total des composants audio haut de gamme que nous achetons pour assembler un système doit respecter un certain budget. Par exemple : si vous croyez que « ce qui est mauvais à l’entrée sera mauvais à la sortie », alors ce qui comptera le plus pour vous sera le composant source—un tourne-disque, un DAC, un lecteur CD—ce qui signifie que vous serez prêt à dépenser relativement plus sur ce composant. Beaucoup d’audiophiles constatent que les différences audibles les plus significatives entre les marques haut de gamme se situent souvent entre les fabricants de haut-parleurs ; par conséquent, ces audiophiles sont susceptibles de dépenser la majeure partie de leur budget pour obtenir les haut-parleurs ayant le meilleur son qu’ils peuvent se permettre. D’autres vous diront que la magie réside dans le préamplificateur—et beaucoup de ces personnes jureront que, toutes choses étant égales par ailleurs, ce qui améliore le plus le son est un préampli à lampes. Trouver une réponse à la question de quel composant compte le plus, et ensuite agir en fonction de cette réponse, fait partie du plaisir d’être audiophile.
L’avertissement, bien sûr, est que les audiophiles n’écoutent pas un composant individuel mais des systèmes, chacun d’eux comprenant plusieurs composants. Une paire de haut-parleurs, par ailleurs excellente, alimentée par un amplificateur incapable de les piloter sonnera mal au mieux. Et si votre amplificateur peut piloter vos merveilleux nouveaux haut-parleurs mais que votre pièce est un désastre acoustique, il en va de même. De nombreux autres exemples abondent ; lorsque l’objectif est un grand son, les considérations les plus pressantes sont souvent les synergies entre les composants, et entre les haut-parleurs et la pièce. Nous savons tous—ou devrions savoir—que les synergies sont critiques. Pour les besoins de cette discussion, cependant, si vous deviez assigner le titre de Composant le Plus Important à une seule catégorie de composant audio, lequel choisiriez-vous ?
Je choisirais le haut-parleur. Mais pour le plaisir, rendons la question un peu plus complexe. Au lieu de limiter les choix à des produits complets et autonomes, élargissons—ou restreignons—la discussion, et limitons nos choix aux pièces utilisées dans un seul produit : ses tubes, transformateurs, condensateurs, haut-parleurs, enceintes, etc.—tout ce qui pourrait faire partie du composant fini.
Voici ce que j’ai choisi, et pourquoi je l’ai choisi : roulement de tambour, s’il vous plaît Vivid Audio. Ce qui détermine le plus le son entendu d’un système audio est l’unité de drive du haut-parleur. L’unité de drive du haut-parleur a le travail le plus difficile de tous les composants d’un système audio : transduire le signal électrique qui circule de la source à l’amplificateur, à travers des fils et des composants de filtrage, en ondes sonores qui frappent le tympan humain. Nous n’entendons pas les signaux électriques—nos cerveaux transforment en expérience mentale du son l’impact sur nos tympans des ondes sonores auxquelles les unités de drive du haut-parleur ont converti ces signaux. Je soutiens que la transduction de l’énergie électrique en énergie acoustique a plus d’effet sur ce que vous entendez que tout autre aspect de la reproduction audio, précisément parce que cette transduction est si chargée de possibilités d’erreur.
Je voulais explorer davantage l’unité de drive du haut-parleur et pourquoi son travail est si difficile, mais techniquement, le sujet dépasse mes compétences. J’ai donc consulté l’un des experts les plus éminents au monde : Laurence Dickie, Directeur Technique de Vivid Audio. Une histoire détaillée de la carrière de l’estimé Dickie est couverte à de nombreux endroits (l’un d’eux est notre chaîne YouTube SoundStage !). Dickie conçoit les haut-parleurs pour les enceintes Vivid Audio qu’il conçoit également ; son travail là-bas, et précédemment chez Bowers & Wilkins (1983-1997), a établi sa position éminente dans la hiérarchie des grands concepteurs de haut-parleurs. Voici mes questions et ses réponses :
JEFF FRITZ : _Lorsque l’unité de drive d’un haut-parleur transduit un signal électrique en ondes sonores, quels sont les types de choses qui peuvent mal tourner ?_ LAURENCE DICKIE : Je pense que nous partageons tous la compréhension que le conducteur idéal du haut-parleur convertirait le signal de tension électrique délivré par l’amplificateur en un analogique de pression d’air exact. Malheureusement, la réalité n’atteint jamais tout à fait la cible, et même le premier processus, la transduction entre tension et force, est sujet à un certain nombre de non-linéarités qui introduiront des fréquences non présentes dans le signal d’origine, certaines inoffensives et même plutôt consonantes, mais d’autres dissonantes et dures. Ces forces provoqueront alors un mouvement dans un diaphragme qui se comportera différemment avec la fréquence changeante, et ainsi mettra en avant certaines fréquences au détriment d’autres. Et bien que nous espérerions que le diaphragme idéal cesserait de bouger lorsque le signal s’arrête, la réalité est que certaines fréquences, une fois mises en mouvement, mettront plus de temps à disparaître que d’autres. Le cône mobile crée un champ sonore dans l’air qui l’entoure, mais malheureusement, le chemin à partir de là jusqu’à l’espace libre est encore rempli d’obstacles qui peuvent chacun contribuer à une autre imperfection à la réponse plate recherchée. JF : _Spécifiquement, quel type de distorsions sont causées par le système moteur du conducteur, par opposition au diaphragme—le cône ou le dôme ?_ LD : Lorsque la tension de drive apparaît d’abord aux bornes et commence à pousser un courant autour de la bobine mobile, le champ magnétique dans lequel elle se trouve commence à se déformer. C’est cette déformation qui crée réellement la force sur le conducteur, mais elle induit également des changements dans la force de magnétisation dans le système magnétique qui l’entoure. La manière dont le champ magnétique réagit au courant se reflète dans l’inductance mesurée à travers la bobine. La plupart des systèmes magnétiques utilisent de l’acier pour guider et concentrer le flux magnétique du magnet permanent vers l’espace, mais le flux induit dans l’acier n’est pas linéairement lié à la force de magnétisation incidente, et donc l’inductance dans la bobine n’est pas simplement liée au courant qui y circule. Cette non-linéarité se manifestera comme une distorsion dans le courant, et donc les forces développées dans la bobine mobile. Une complication supplémentaire survient parce qu’une partie du flux induit par la bobine se retrouve à faire le tour du circuit du magnet permanent, et parce que le couplage de la bobine à ce circuit dépend de la position de la bobine, lorsque la bobine est complètement dans l’espace, l’effet est à son maximum, et vice versa. Un effet de cela est que le facteur de force ressenti par la bobine mobile variera avec la position, et si le signal excitant est un sinusoïde, alors l’effet sera le même que d’ajouter un signal de double fréquence, autrement connu sous le nom de distorsion harmonique de second ordre. Comme l’inductance mesurée sur les bornes de la bobine mobile dépend de la manière dont le courant induit le flux magnétique dans l’acier, alors cette inductance variera également avec la position de la bobine. Étant donné que les grandes excursions tendent à être créées par les basses fréquences dans la musique et que l’inductance tend à affecter les hautes fréquences, l’effet global de ce comportement est que les hautes fréquences seront modulées par les basses. Il existe plusieurs façons d’atténuer ces lacunes, la première étant dans la conception du système magnétique. Cela pourrait impliquer l’utilisation d’un pôle étendu, de sorte que la bobine ne soit jamais entièrement dans l’air ; une autre consiste à utiliser un design sous-encastré dans lequel, par définition, la bobine est toujours entourée d’acier. Enveloppant le pôle dans une fine feuille de cuivre peut également être efficace pour empêcher le flux induit par la bobine de pénétrer dans l’acier. Cela fonctionne parce que le flux changeant induit des courants de Foucault dans le cuivre qui s’opposent aux changements. Une autre approche, mieux adaptée à réduire la portion de flux qui finit dans le circuit global, est de mettre un anneau épais en cuivre autour du pôle. Le changement de flux dans le pôle induit des courants de Foucault dans le circuit qui s’opposent au changement. Une dernière amélioration dans ce moule serait d’avoir une bobine supplémentaire enroulée directement sur le pôle en acier. En choisissant judicieusement le courant de drive, il devrait être possible de neutraliser tous les effets induits. Bien sûr, une autre voie pourrait être de laisser tomber l’acier complètement, puisque les aimants permanents se comportent eux-mêmes comme de l’air libre parce que tous leurs domaines sont liés. Cela a été une option relativement facile pour les systèmes à aimant alnico, puisqu’ils ont un rapport d’aspect plutôt long et fin. Cela est devenu beaucoup moins pratique dans notre monde d’aimants céramiques ou en terres rares courts et épais, bien que certaines tentatives aient été faites. JF : _Et le diaphragme lui-même ?_ LD : La fonction d’un conducteur de haut-parleur est, bien sûr, de créer du son, et à lui seul, la bobine mobile présente une zone vibrante très petite et doit être couplée à un diaphragme beaucoup plus grand. À l’application du signal de tension, la force ressentie par la bobine est immédiatement conduite dans l’ancienne support sur laquelle elle est enroulée. La force agit le long de l’axe du tube, une direction dans laquelle elle est la plus rigide ; néanmoins, la vitesse à laquelle cette force est transmise est finie, et de longs supports en polymères purs doivent être évités. Mieux vaut les garder courts et utiliser un renforcement en verre ou même une feuille métallique (bien que cela pose une nouvelle source de problèmes, car la feuille conductrice agit également comme un tour court-circuité qui tirera de l’énergie et amortira le mouvement). Attaché à l’extrémité éloignée de l’ancien support est le diaphragme, qui peut prendre la forme d’un cône fin, d’un dôme, ou d’un mélange des deux ; d’autres ont réussi à utiliser des feuilles composites plates. Il peut être fabriqué à partir d’une vaste gamme de matériaux—papier, plastique, tissu, mousse, ou métal, ou des composites complexes de tout ou partie de ces matériaux—mais ils ont tous le même objectif, qui est de créer un diaphragme qui conduit la vibration axiale de l’ancien support et transforme cette énergie en ondes sonores dans l’air autour du conducteur. Peut-être est-ce la forme exacte que prend le diaphragme qui divise les concepteurs de haut-parleurs plus que tout autre facteur unique. Il y a ceux qui croient que le diaphragme doit se comporter comme un piston rigide dans toute sa gamme, et il y a ceux qui estiment que, au contraire, il doit s’agir d’une feuille plate et modérément rigide dans laquelle des ondes transversales bien comportées peuvent se propager comme des ondulations dans un étang. Puis il y a le monde entre les deux, qui croient que la bonne façon est d’utiliser un cône de matériau excité à son apex et soutenu au bord extérieur par un surround flexible. Cette dernière approche, la plus populaire, est probablement la plus facile à fabriquer, et peut coupler une taille de moteur gérable avec un grand cône, produisant ainsi une sortie raisonnable de basse fréquence avec une excursion modérée. À basses fréquences, l’ensemble de l’assemblage se déplace comme un tout, mais à mesure que la fréquence augmente, le bord du cône commence à prendre du retard par rapport à l’apex, jusqu’à ce qu’un point soit atteint où les deux sont complètement en opposition de phase. Ainsi, le cône n’est pas un piston rigide, mais est mieux considéré comme une ligne de transmission transversale balayée autour de l’axe central. Il est utile de visualiser la situation si le cône était fabriqué à partir d’un caoutchouc souple plutôt que de matériaux rigides : vous devriez être mieux en mesure d’imaginer les ondes se déplaçant vers l’extérieur. Par eux-mêmes, les ondes voyageant seraient bien, mais finalement le cône se termine et les ondes subissent un changement brutal de circonstances qui les fait rebondir et commencer le voyage de retour. Elles finissent par revenir à l’apex, où un choc similaire les accueille—elles commencent donc le voyage à nouveau, et si elles sont en phase avec le signal de la bobine mobile, alors l’onde sera renforcée. Cela est connu sous le nom de résonance, et certaines fréquences subiront une augmentation de niveau tandis que d’autres souffriront de l’effet inverse. Pour de nombreuses combinaisons de matériaux ordinaires, tels que le papier, le plastique et les tissus dopés, ces effets se produisent dans les fréquences moyennes et, s’ils ne sont pas contrôlés, impartissent un caractère très distinctif au son qui en résulte. Étant donné que la plupart des cônes de haut-parleurs sont attachés à un surround flexible, le détail de ce qui se passe exactement à ce point de transition détient la clé : avec le choix approprié des matériaux, l’onde peut être incitée à quitter le cône et à continuer à travers le surround, où, encore une fois, le choix des matériaux le permettant, l’onde peut être dissipée sous forme de chaleur. La réalité est qu’aucun matériau unique n’existe qui puisse vraiment satisfaire aux conditions de terminaison de bord à toutes les fréquences—mais néanmoins, des résultats très respectables ont été atteints. D’autres approches pour minimiser les effets de rupture du cône pourraient utiliser des matériaux anisotropes afin que la vitesse de l’onde diffère selon la direction. Une option populaire est d’utiliser un matériau tissé afin que les propriétés varient entre les directions de 0 degrés/90 degrés et +45 degrés/-45 degrés, brisant ainsi les ondes. Une autre pourrait être d’utiliser un cône non circulaire ; découper les bords pour former une forme légèrement carrée pourrait alors avoir l’effet désiré. La situation change quelque peu lorsque vous passez aux métaux, car ils ont un rapport de rigidité à densité très différent, et maintenant la vitesse de propagation est telle que la première rupture peut être confortablement au-delà de la fréquence à laquelle vous pourriez avoir cessé d’utiliser une telle taille de conducteur pour d’autres raisons. Maintenant, le conducteur peut être effectivement dit se comporter pistoniquement dans sa bande passante. Alors que les cônes sont le profil de choix pour presque tous les conducteurs de basses, les diaphragmes en dôme avec bobines mobiles périphériques sont devenus populaires pour une utilisation dans les tweeters parce que cette combinaison vous donne la plus grande bobine mobile, donc la plus grande capacité de puissance, pour une zone de rayonnement donnée. Il se trouve également que si vous visez une rupture élevée, alors le dôme en métal est le design de choix. Pour des diamètres de 25 à 75 mm, les dômes offrent un excellent moyen d’un bon comportement.
Alors, est-ce la fin de tous nos maux ? Eh bien, peut-être pas. Pour une chose, un conducteur pistonic aura un faisceau rétréci à l’extrémité supérieure de sa bande. C’est juste l’une de ces règles de l’acoustique : si la circonférence du piston est une longueur d’onde, alors le son sera remarquablement concentré en un faisceau. Un des avantages possibles de l’approche du cône flexible est que pendant que les bords extérieurs sont laissés derrière, la taille apparente de la source sonore devient plus petite, donc elle ne se concentre pas tout à fait de la même manière qu’un piston uniforme. Ainsi, nous avons notre diaphragme vibrant plus ou moins de la manière dont nous le souhaitons—pouvons-nous maintenant attendre que la traduction de ce mouvement en son soit facile à partir de ce point ? Cela dépend de la forme exacte du cône, de la manière dont le bord du conducteur s’intègre dans l’enceinte, de la forme de l’aimant, et du châssis qui maintient tout ensemble. Nous sommes tous familiers avec les qualités résonnantes des volumes d’air contenus, mais ce qui peut ne pas toujours être apprécié, c’est qu’il n’y a pas de transition nette entre une bouteille et une dépression dans une feuille plate—et bien qu’il puisse ne pas être si évident, cette dernière situation présentera un effet résonant léger. Les cônes de haut-parleurs sur un baffle sont, en effet, une dépression peu profonde dans une feuille plate, et sont donc soumis à cette légère augmentation résonante. Cela représente généralement un pic de 2 à 3 dB quelque part dans la plage de 1-2 kHz et ne peut pas poser trop de problèmes, mais peut être évité si le diaphragme est convexe plutôt que concave. Vous pourriez faire remarquer que la concavité est toujours présente, bien qu’à l’arrière, et peut encore causer des problèmes. Eh bien, en effet, cela peut, mais il existe une solution complète à cela qui n’est plus dans le domaine du conducteur. Cela serait de relier l’arrière du conducteur à un tube, supprimant ainsi la transition entre la cavité et l’espace libre, et donc la résonance. Toujours sur le sujet des résonances acoustiques parasites, l’attention doit être portée sur la manière dont le son provenant de l’arrière du cône émerge du châssis. Encore une fois, si l’air est en quelque sorte enfermé et doit passer à travers des ouvertures entre des montants, alors il est inévitable qu’une résonance de cavité se produise. Comment cela se manifeste sur la sortie avant du conducteur dépendra de nombreux facteurs, mais, comme d’habitude, l’éviter dès le départ est la meilleure approche. Des montants fins de surface minimale l’emporteront toujours sur des trous perforés dans un bol en tôle emboutie.
JF : _Et l’unité de drive parfaite ressemblerait à . . ._ LD : Donc, après avoir analysé les choses qui peuvent mal tourner, quelle serait ma suggestion pour un conducteur idéal ? Pour une chose, nous devons spécifier une gamme de fréquences, car couvrir l’ensemble du spectre audio avec un seul conducteur est une tâche assez ardue. Mais bien qu’il soit peu probable que nous puissions produire un seul conducteur capable d’une sortie basse fréquence satisfaisante qui produirait également un haut de gamme propre jusqu’à 20 kHz, il est beaucoup plus possible d’imaginer un conducteur qui dépasse cette limite supérieure tout en étant capable de se déplacer de quelques millimètres, et est donc admirablement adapté à être utilisé dans de grands ensembles et capable d’une sortie basse raisonnable. Ainsi, mon conducteur idéal utiliserait probablement un dôme en béryllium de 50 mm avec une bobine mobile attachée en périphérie. Le système magnétique utiliserait des segments d’aimant polarisés radialement pour permettre le plus petit diamètre global, tout en laissant également la plus grande zone ouverte pour que la sortie arrière se connecte à un tube d’absorption. En fait, je suggérerais qu’il y ait deux versions : un modèle à grande excursion pour une utilisation en tant que conducteur à spectre complet dans de grands ensembles, et un modèle à courte excursion pour une utilisation en tant que conducteur de médium.
Comme vous pouvez le voir dans le compte rendu détaillé de Laurence Dickie, l’unité de drive du haut-parleur est intégrale au fonctionnement du haut-parleur lui-même. Mais cette unité de drive n’est qu’une partie de l’appareil global appelé un haut-parleur. D’autres aspects de la conception de tout haut-parleur auront un impact profond sur les performances de ses unités de drive. La forme et l’épaisseur du baffle, ce dont il est fait, comment les conducteurs y sont montés—tout compte. Ce qui se trouve derrière le baffle compte également—le volume interne du cabinet, la forme de ses murs intérieurs, comment l’onde de retour produite par le conducteur est absorbée, etc. Chaque aspect du filtre—ses pentes, fréquences de coupure, pièces composantes, et plus encore—est également important. Le nombre de conducteurs, leur positionnement sur le baffle, et leur configuration (deux voies, trois voies, etc.)—tout compte. L’unité de drive ne peut être expérimentée de manière optimale que dans un système de haut-parleur fini dans lequel une multitude de facteurs définissent ses performances. En résumé : les unités de drive ne sont jamais entendues isolément. Mais vous les entendez certainement.
… Jeff Fritz
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