2-6-1-6 : Les tweeters piézo-électriques

Mise à jour : 6 octobre 2023, Antimode 11.

 

Pourquoi un tweeter piézo-électrique ?

Si vous voulez faire rigoler un Audiophile pur et dur, dites-lui que vous avez des tweeters piézo-électriques sur vos enceintes...
Cette technologie de tweeter à très mauvaise presse, à cause de très mauvaises utilisations en SONO très bon marché.
D'autre part dans le milieu des Audiophiles, le "Pas assez cher mon fils" est assez fatal.

Je ne suis pas venu aux tweeters piézo-électriques par hasard.
PHY-HP vend un tweeter de cette technologie, monté dans un pavillon en acier de sa fabrication.
Il n'est pas apprécié des Audiophiles, certainement à tort, ou alors les avis viennent de gens qui l'ont utilisé hors de son domaine ou il est bon.

J'ai utilisé un tweeter piézo-électrique, à mes débuts, avec un haut-parleur large bande, lorsque je n'arrivais pas à marier avec un filtre passif, un tweeter réputé, un FOSTEX T925.
C'est là que j'ai compris la nécessité de ne pas filtrer le haut-parleur large bande, et de raccorder le tweeter à la coupure naturelle du large bande.
Cette méthode est bien admise aujourd'hui parmi les Audiophiles.
Avec la multiamplification active j'ai essayé de marier un tweeter lui aussi réputé, un FOSTEX FT66H a mes B200 de VISATON, sans résultat.
J'ai préféré rester sans tweeter que d'en rajouter un qui apportait plus de pertes que de gains.
Finalement, et après pas mal d'égarement, je reviens à une solution qui me convenait bien il y a 15 ans, mais avec pas mal d'arguments et de rigueur en plus.

 

Mesures :

Courbe d'impédance et de phase électrique d'un tweeter piézo-électrique.
Notez l'échelle de 8000 Ohms à gauche, et la variation de phase électrique à 90° au dessus de 2000 Hz.

 

Courbe d'impédance et de phase électrique du même tweeter, avec le branchement ci-dessous.
Impédance et phase électrique sont parfaitement linéaires.
L'ampli ne devrait pas être perturbé par le haut-parleur ni risquer un accrochage à haute fréquence.

C'est volontairement que j'ai représenté un condensateur dans le haut-parleur piézo-électrique, car il en est proche, sans être exactement un condensateur pur.
Si vous ne mettez la résistance de 8.2 Ohms en série avec le tweeter, vous risquez l'accrochage haute fréquence.
Vous pouvez mettre une valeur jusqu'à 100 Ohms sans le moindre problème.
Si vous ne mettez pas la résistance de 8.2 Ohms en parallèle, l'ampli verra une impédance très variable, et vous ne pourrez pas filtrer votre haut-parleur en passif.
En partant du principe que les amplis préfèrent les impédances constantes, j'ai mis les deux résistances en filtrage actif.

 

Pour donner un chiffre plus précis sur la sensibilité, j'ai du ajouter 0.7 dB de gain du filtre actif sur le tweeter avec 15 Ohms en parallèle et 8.2 Ohms en série, par rapport a celui du VISATON B200.
Les amplis sont identiques, NAD 3020 sur l'un, 3020i pour l'autre.
J'ai mesuré avec 8.2 Ohms, et j'ai monté 15 Ohms, tout simplement parce que je n'avais qu'une résistance de 8.2 Ohms.

 

Fréquences d'utilisation d'un tweeter piézo-électrique :

Yves m'a envoyé les réponses sur train d'ondes d'un tweeter piézo-électrique à différentes fréquences.
C'est un tweeter MONTOROLA "de l'époque", car il doit avoir 30 ans, c'est solide ces haut-parleurs.
Le conseil est de prendre un tweeter qui résonne bas, un médium tweeter, et de le filtrer haut en fréquence, à plus de 10000 Hz et à pente raide, le 18 dB/octave est le minimum.
Avec mon filtre actif, j'ai préféré le 18 dB/octave Butterworth avec raccord à -5 dB type JLMC au 24 dB quel qu'il soit.
Regardez la première sinusoïde vers le haut, le conseil d'une fréquence de coupure haute est parfaitement visible.

 

Filtre pour tweeter piézo-électrique :

Daniel est un intervenant de la première heure sur ce site.
Après une longue période d'absence, il nous revient avec la clef d'utilisation des tweeters piézo-électriques avec un filtre passif.

 

1 - Simulation par capacité

On assimile un tweeter piézo-électrique à une capacité de valeur C.

• KSN1005, cette capacité vaut 0,12µF (0,118 mesuré au C-mètre)
• KSN1117 (double tweeter), cette capacité vaut 0,24µF (0,243 mesuré au C-mètre sur les deux exemplaires du combo).
  C'est le double de la valeur précédente et cela correspond à la mise en parallèle de deux cellules piézo-électriques, les deux capacités en parallèle s'ajoutent !

Valeur de l'impédance en fonction de la fréquence :

On voit que la corrélation n'est pas trop mauvaise à partir de 6000 Hz, cela correspond aussi à la technologie des tweeters piézo-électriques.

 

2 - Calcul réseau de compensation (général, souvent utilisé pour lisser la remontée d'impédance des haut-parleurs)

À une résistance de 8,2 ohms en série avec le tweeter, on associe en parallèle une résistance identique en série avec une inductance qui est calculée pour que, vu de la source de tension, le réseau soit équivalent à une seule résistance de 8,2 ohms.
Lorsque la fréquence augmente, l'impédance de la capacité diminue, celle de l'inductance augmente, il y a compensation.

Schéma :

On remarque que cette impédance est strictement égale à R, si et seulement si, la relation suivante est vérifiée :
L/R = RC ou encore L = R²C.

Je n'ai pas essayé la self :
Elle est de très petite valeur, et un tweeter piézo-électrique n'est pas tout à fait un condensateur pur.
Yves me fait remarquer que le schéma est inutilement compliqué ?
Une self de plus à bricoler soit même...

 

3 - Application numérique

Dans le cas du d'un tweeter KSN1117, les calculs donnent :

Cette inductance est relativement facile à fabriquer,  il suffit d'enrouler quelques spires autour d'un cylindre de diamètre 12 mm et d'en vérifier/ajuster la valeur a l'Inductance mètre.

 

4 - Cas pratique : filtrage de deux piézo-électriques KSN1117 en parallèle (ce qui correspond à 4 cellules piézo-électriques en parallèle).

Pour l'usage de deux tweeters piézo-électriques KSN117 connectés en parallèle, il convient de doubler la valeur de la capacitance, deux capacités en parallèle soit encore 2 x 0,243µF = 0,486µF), ce qui donne le tableau suivant :

Cette inductance de faible valeur est facile à fabriquer, il suffit d'enrouler quelques spires, et un peu plus que précédemment, autour d'un cylindre de diamètre par exemple de 12 mm et d'en vérifier/ajuster la valeur a l'inductance mètre.>

Le tweeter et son réseau étant équivalents à une impédance de 8,2 ohms, le calcul habituel des filtres s'applique.

 

Schéma du tweeter piézo-électrique, atténué et filtré pour un usage hi-fi :

• A : Filtre à 24 dB/octave. Un filtre à 18 dB/octave marche encore mieux (donc sans L4), mais il ne faut pas descendre au 12 dB/octave ni au 6 dB/octave.
  Calcul du filtre sur 8.2 Ohms, la valeur de la résistance en parallèle s'il n'y a par d'atténuation.
  Calcul sur l'impédance équivalente à R4, R5 et 8.2 Ohms s'il y a un atténuateur.
  Fréquences de coupure supérieure à 10 000 Hz pour un usage hi-fi de haute qualité.
   
• B : Atténuation à impédance constante, calculée sur 8.2 Ohms.
  Si vous n'avez pas besoin d'atténuer, vous supprimez R4 et R5.
   
• C : Tweeter piézo-électrique avec les deux résistances de protection. La résistance en série peut monter jusqu'à 100 Ohms sans le moindre problème.

 

Un cas réel :

Dans le cadre de mon application, un système 3 voies sur baffle plan avec un B200 en presque large bande et un tweeter piézo-électrique dans les aigus, j'avais retenu à l'écoute le filtre à 18 dB/octave avec un raccord à -5 dB de Jean Michel LE CLEAC'H, JLMC.
Les fréquences de coupure sont à 7540 Hz sur le B200 et à 9870 Hz sur le tweeter piézo-électrique.
La fréquence centrale à -5 dB est à 8630 Hz.
C'est dans ces conditions que j'ai les meilleurs résultats chez moi.

Plus les écoutes ont lieu, plus je suis satisfait de ce tweeter.
Quand vous ne faites plus d'écoute pour savoir si votre tweeter est doux, agressif, soyeux ou métallique, que vous êtes surpris disque après disque par la justesse des timbres des instruments par rapport a ceux entendus au concert acoustique, alors vous avez un système particulièrement fidèle.
C'est tout ce qu'on lui demande.
Bonnes écoutes.

 

Exemple de filtres :

À 24 dB/octave :

C'est le filtre utilisé par Yves sur un FOSTEX FE166E monté dans une sphère ELIPSON à résonateur et un tweeter piézo-électrique MONTOROLA.
Les pentes sont à 24 dB/octave de chaque côté.
La partie correction d'impédance du FE166E (au centre du schéma) est spécifique à l'enceinte utilisée.

 

À 18 dB/octave :

Les essais sur mon filtre actif m'ont fait préférer le filtre à 18 dB/octave par rapport à celui à 24 dB/octave.
Pour des raisons de simplifications, je ne souhaite pas, au stade actuel de la mise au point, filtrer le large bande.

• 0.68 uF et 2.7 uF ont été mis au point à l'écoute. (0.47 < 0.68 > 0.82 > 1.0 --- 3.3 < 2.7 > 2.5 > 2.2)
• 0.15 mH a été mis au point à l'écoute. (0.20 < 0.15 > 0.10).
• R4 et R5 ne sont pas installés.
• Coupure entre 11143 Hz et 9686 Hz, suivant que l'on prend 0.68 uF et 0.15 mH ou 2.7 uF et 0.15 mH comme référence de calcul.
• Branchement en opposition de phase, branchement en phase non écouté actuellement.
   
• Sur le FE164, il y a 2 mH et 3.9 Ohms. (Des retours sur un FE167E donnent entre 1.5 et 2.2 mH, et entre 3.9 et 5.6 Ohms.)
• Correcteur d'impédance RC sur le FE164 pas encore mis en place.

 

Avec un filtre actif BEHRINGER DCX 2496 :

Large bande VISATON B200. Filtrage : BUT18 à 7640 Hz. Gain 0.0 dB. Polarité : Normal. Ampli : NAD 3020 I.
Tweeter piézo-électrique. Filtrage : BUT18 à 9870 Hz. Gain 0.7 dB. Polarité : Normal. Ampli : NAD 3020.

Égalisation dans le DEQ au-dessus de 4000 Hz.
Ma pièce et la distance d'écoute rentrent directement en ligne de compte.
Avec ces réglages, j'obtiens la courbe ISO 2969 X au point d'écoute.

Aujourd'hui ce n'est pas cette courbe cible que je chercherai à obtenir, je ne cherche même pas à ajouter un tweeter, fût-il piézo-électrique.

 

Dôme Acoustique