2-7-4-5 : La longue mise au point d'un filtre d'une enceinte

Mise à jour : 8 novembre 2023, Antidote 11.

 

Cette mise au point fait référence à la courbe ISO 2969X.
Aujourd'hui j'utilise une Courbe cible, avec un seuil, entre la partie horizontale et la partie inclinée, placé plus bas que sur la courbe ISO 2969X, vers 240 Hz au lieu de 2000 Hz.
Cette courbe cible est plus performante à l'écoute que la courbe ISO 2969X.

 

Rédigé par Olivier.

Ce retour d'expériences est la suite du fil "L'image sonore, filtre et autres petites choses" rubrique "Filtres passifs" du forum aujourd'hui fermé.

Il s'agit de mon système à deux voies, constitué d'un médium AUDAX AT130M0 et d'un tweeter AUDAX TM020J11 montés dans une enceinte colonne de 25 L environ accordée en bass-reflex, et dont la mise au point a démarré il y a un peu plus de trois ans maintenant...
Je ne rentrerai pas dans le détail des valeurs des composants utilisés pour le filtrage propres à mon système, cela me semble sans intérêt pour une configuration différente, je crois plus utile de partager la démarche.

Pour résumer les épisodes précédents, je suis passé d'un filtrage 12 à 6 dB/octave et ajout d'un circuit RC // sur le haut-parleur large bande, remplacement de l'évent D=54 mm par un D=77 mm qui a aussi pour effet de passer la fréquence d'accord de 42 à 39 Hz...
Et pour finir par incliner les enceintes vers l'arrière pour mettre "en phase" les deux haut-parleurs, avec un résultat à l'écoute assez convaincant vu l'investissement.

C'est donc de cette situation que démarre ce REX.

Tout d'abord un mot sur l'objectif que je me suis fixé, choix personnel certainement discutable...
On est aussi là pour ça, n'est-ce pas ?!

 

L'objectif :

Partant de la configuration résumée plus haut et désirant améliorer le haut médium jugé encore trop présent (agaçant même), je me suis dit que c'était le moment d'expérimenter la fameuse courbe ISO 2969X dont il est question dans le site Dôme Acoustique (article auquel j'ai contribué au passage).

 

Comme illustré dans cette figure, mon idée était assez simple, couper le large bande à l'aide du filtre 6 dB/octave à une fréquence qui correspondrait à peu de chose près à la pente de la courbe ISO 2969X, puis de relayer avec le tweeter, ce dernier éventuellement atténué pour suivre au mieux la pente jusqu'à 20 kHz...

Sur le papier c'est d'une grande simplicité, en pratique ça ne l'est pas du tout...!

Après une quarantaine d'essais avec différents réglages pour espérer approcher le résultat escompté, tantôt en jouant sur la fréquence de coupure du filtre, tantôt en jouant sur l'atténuation du tweeter, ou sur les deux à la fois (et les démontages des filtres à chaque fois).
Rien à faire, le haut médium est toujours là, insupportable !

Il fallait donc se rendre à l'évidence, quelque chose ne fonctionnait pas exactement comme les simulations pouvaient le laisser entendre !

À ce moment-là j'utilisais encore un sonomètre pour faire les mesures à partir de plages de fréquences en bruit rose d'un CD de test.
Jusqu'au jour où j'ai demandé à mon copain Christophe de venir à la maison avec son égaliseur numérique et son micro pour faire une campagne de mesures comparatives...

Ce fut à la fois une grande déception et un soulagement !
Déception, car je m'apercevais que toutes les mesures effectuées avec le sonomètre étaient inexploitables, l'instrument en question n'étant tout simplement pas juste ! (sauf entre 100 et 1000 Hz éventuellement, mais c'est insuffisant pour ce qui nous intéresse)
Soulagement, car maintenant je disposais enfin de résultats concernant le comportement du haut-parleur médium dans l'enceinte et qui, bien que présentant certaines similitudes de forme avec la courbe AUDAX, révélaient une pente ascendante assez régulière entre 300 et 8000 Hz avec une augmentation du niveau de près de 10 dB!
Ainsi mes impressions auditives quant à la "présence" du haut médium étaient confirmées... !

Au-dessus de 8000 Hz... plus rien !
Le tweeter était complètement "bouffé" par le haut médium...

Courbe obtenue au point d'écoute avec deux enceintes par rapport à la courbe fournie par AUDAX

 

Correction de la taille de la face avant :

Cette expérience a eu un effet presque immédiat sur une manière de solutionner ce problème: la correction de la taille de la face avant comme je l'avais lu dans le site Dôme Acoustique.

Cette correction, réalisée au moyen d'un circuit RL // en série avec le haut-parleur, permet de corriger la courbe de réponse à un niveau choisi.
Une fois cette modification opérée il serait sans doute plus aisé de régler le filtrage passe-bas, ce dernier n'étant pas du tout évident à déterminer pour le moment, il faut bien le dire !

S'agissant de démonter les filtres une fois de plus, je décidais par la même occasion de modifier le câblage et laisser les filtres en dehors des enceintes.
Ce fut alors beaucoup plus aisé de travailler à leurs mises au point.

Platines des filtres en dehors des enceintes donc, j'interpose le circuit RL // (et le RC nécessaire pour linéariser l'impédance) entre la self du passe-bas et le haut-parleur médium.
Dans le même temps, les sorties du filtre sont équipées de bornes femelles diamètre 4 mm, ce qui présente l'avantage de pouvoir mesurer séparément le passe-haut et le passe-bas en débranchant simplement celui que l'on ne veut pas entendre.
Pourquoi n'avais-je pas commencé par ça ?!

Pour le circuit RL // j'ai utilisé la feuille de calcul Excel de Hong Nguyen disponible sur le site, et j'ai atténué de -7 dB.
Cette valeur semblait suffisante pour que le raccordement avec le tweeter se fasse sans trop d'écarts de niveaux...

Fébrile que j'étais d'écouter ce qu'allait donner cette modification, j'ai rebranché tel quel le filtre passe-haut avec ses réglages.

Quelle bonne surprise, mon médium devenait d'un seul coup d'une douceur inattendue, moi qui désespérais de trouver un jour une solution pour le calmer, je détenais enfin une solution satisfaisante.

Il fallait à ce stade refaire des mesures pour vérifier que les -7 dB calculés se retrouveraient aussi sur la courbe.
Malheureusement pour moi, l'ami Christophe était justement en train d'optimiser son système, le matériel n'était donc pas disponible pour le moment !
Tant pis, j'envisageais alors d'expérimenter moi-même à l'oreille...

Ayant à ma disposition une série de résistance, j'ai entrepris de travailler sur l'atténuation du tweeter.
Partant du principe que je venais de diminuer théoriquement de -7 dB le médium et que dans le même temps je devais suivre la courbe ISO 2969X qui perd 3 dB par octave à partir de 4000 Hz (le médium étant coupé vers 2400 Hz en théorie), j'en déduis que l'atténuation du tweeter devrait se situer toujours en théorie vers -10 dB...

À l'écoute, -10 dB fait illusion au début, mais ne me semblait pas suffisant sur le long terme, car il restait encore quelques accrocs à mes ouïes...
Je suis resté très longtemps avec une atténuation de -15 dB...
Mais difficile pour moi de croire qu'il fallait en arriver là.
D'autant que l'impression d'un haut médium encore présent demeurait.
Je décidais d'attendre mon tour pour refaire des mesures avec un peu de technologie...!

 

Mesures à 1m réalisées chez l'ami Christophe sur une enceinte réglée comme suit :

• Tweeter filtré en 6 dB/octave et atténué de -15 dB,
• Médium filtré en 6 dB/octave, circuit RL // à -7 dB et circuit RC calculé selon les données du site.

Pas mal quand même... quoi que ! Cette courbe montre une chute prononcée du tweeter au-dessus de 12 kHz ?
L'ISO 2969X n'est pas reproduite.

 

L'étape suivante consistait donc à repartir de zéro, à l'aide de l'égaliseur numérique et du micro :

• Mesures des haut-parleurs seuls sans aucun filtrage ni atténuation
• Tests avec différents réglages de circuits RL //
• Tests avec et sans circuit RC de linéarisation de l'impédance du médium
• Tests avec différents filtrages du tweeter
• Tests d'atténuation du tweeter...

 

Courbes de réponse des haut-parleurs montés dans l'enceinte réalisées sans aucun filtre.

 

La courbe du médium seul en rouge montre une remontée de pratiquement 10 dB par rapport à son niveau vers 120 Hz.
La courbe du tweeter seul en bleue montre un plateau de 1600 Hz jusqu'à 8000 Hz, suivis d'un affaiblissement absent de la courbe Audax.

 

Les courbes des haut-parleurs Audax réalisées par le fabricant sur baffle CEI en chambre anéchoïque...
Pas grand-chose à voir avec les mesures faites sur enceinte DIY à la maison !

 

La courbe du médium équipé du circuit RL // -7 dB montre une atténuation d'au mieux 4 dB seulement.
Ce n'est donc pas suffisant !

La courbe du médium équipé du circuit RL // -10 dB commence enfin à ressembler à quelque chose, c'est presque plat de 100 à 4500 Hz !

Enfin, la même courbe filtrée vers 2000 Hz suit quasiment l'ISO 2969X jusqu'à 5500 Hz... ça se précise !

L'inconvénient majeur du circuit RL // est qu'il augmente la résistance en série avec le médium.
Les paramètres du bass-reflex dépendant du Qes final (= Qes_haut-parleur x(Re_haut-parleur + R_filtre + R_ampli)/Re_haut-parleur), le Qts total est donc perturbé, ce qui peut à l'extrême faire travailler le haut-parleur aux limites du domaine bass-reflex!

Le filtrage passe-bas en 6 dB/octave est très délicat en grande partie à cause de la bosse entre 4500 et 6300 Hz du haut-parleur médium qu'il est pratiquement impossible de supprimer sans accentuer le creux entre 2250 et 4500 Hz.
C'est aux mesures que l'approche s'est effectuée, par des essais successifs avec différentes selfs.

Pour suivre la courbe ISO 2969X, il faudrait théoriquement couper à -3 dB vers 4000 Hz et donc calculer la self sur cette fréquence.
En faisant ça je m'aperçois que le médium coupe en réalité plus haut que cette fréquence théorique, alors il faut donc augmenter la valeur de la self pour compenser, pas que cela me plaise vraiment vu que la résistance de cette dernière augmente graduellement en fonction de la valeur choisie, ce qui influence la résistance du filtre (R_filtre) et les réglages du bass-reflex, et de ce côté-là mon haut-parleur large bande est un peu limite.

La self qui convient à mon système pour suivre l'ISO 2969X donnerait une coupure calculée vers 2000 Hz toujours à -3 dB, c'est un peu éloigné du modèle théorique, mais seul le résultat compte !

Je souligne au passage que le circuit RC de linéarisation de l'impédance a été supprimé, l'impédance du haut-parleur entre 2000 et 4000 Hz étant très voisine de 8Ω, il me semblait inutile de le rajouter dans ces conditions.
Vous verrez plus loin que j'ai depuis changé d'avis sur ce point...

 

Le filtrage du passe-haut est lui aussi un peu déconcertant...

 

La courbe du tweeter seul révèle une chute du niveau après 8000 Hz avec laquelle il va falloir jouer.

D'abord filtré vers 2400 Hz pour ne pas trop s'éloigner de la coupure du médium selon les principes théoriques, le filtrage obtenu n'est pas satisfaisant et provoque le chevauchement du passe-bas et passe-haut depuis 2000 Hz jusqu'à pratiquement 8000 Hz (voir les courbes du médium plus haut).
C'est avec une coupure théorique vers... 16000 Hz que les résultats sont les meilleurs.

Quand j'indique "une coupure théorique", c'est la fréquence calculée selon les formules en fonction de la valeur du composant utilisé et non la fréquence réelle donnant le résultat escompté.
Les simulations aident à évaluer les valeurs des composants nécessaires à l'élaboration du filtre en mettant en œuvre des formules mathématiques, mais voilà en pratique le mariage haut-parleur, filtres, enceinte et pièce peut donner des courbes de réponse qui s'écartent joyeusement du modèle mathématique !
Les réserves indiquées par D. PETOIN au-dessus du graphique de visualisation du filtre prennent alors tout leur sens " La courbe ci-dessous... , les résultats peuvent être tout autre.", je confirme.

L'allure de la courbe obtenue après atténuation du tweeter de près de -9 dB se prête également beaucoup mieux au profil de l'ISO 2969X, et c'est tant mieux !

Ce n'était donc pas -15 dB qu'il fallait comme je le croyais avant toutes ces mesures, mais simplement trouver d'abord la bonne fréquence de coupure avant toute intervention sur le niveau relatif du tweeter.

 

Toutes ces courbes sont issues de mesures effectuées chez mon copain Christophe avec une seule enceinte, micro placé à 1m environ, et dans un local qui ne présente absolument pas ni les caractéristiques acoustiques ni les dimensions de mon salon.
Il n'était donc pas dit que j'allais obtenir la même chose chez moi avec deux enceintes situées à environ 2,50 m du point d'écoute.

L'étape suivante fut donc de rapatrier les enceintes et d'effectuer une mesure dans mon salon pour confirmer...

 

Ayant quelques scrupules à toujours solliciter Christophe et son matériel pour réaliser ces mesures, je décidais d'investir dans un micro (Dayton) et me procurais un logiciel ad hoc (SynRTA) pour être autonome de ce point de vue.
Gros avantage par rapport à la méthode précédente par retranscription des valeurs sur une feuille Excel, les courbes sont tout de suite visibles et les différents essais beaucoup plus rapides.

Patatras! Même si l'échelle n'est pas tout à fait identique au diagramme précédent, on remarque des différences entre le relevé d'une seule enceinte à 1 m et celui obtenu dans le salon avec les deux enceintes au point d'écoute !

 

Par exemple, le creux de presque 8 dB entre 1 et 2 kHz de cette courbe n'était pas présent, quant à ce qui se passe entre 4 et 8 kHz et même sous 200 Hz, on ne peut pas dire qu'il y ait une quelconque similitude!

À ce stade, je pouvais presque regretter d'avoir mesuré, tellement l'approche du but était espérée!

Cependant, rien de dramatique, seulement la déception qu'une nouvelle fois je devais réviser ma copie...

Je décidais cette fois de prendre le "problème" différemment et de réaliser tous les essais dans le salon et dans la configuration d'écoute comme je venais de le faire pour cette mesure de confirmation, maintenant que j'avais le matériel pour, ce serait plus facile.
Voici un résumé des principales étapes.

Afin d'isoler chaque élément du "problème", j'ai confectionné un support de tweeter posé sur l'enceinte, celle-ci revenant en position verticale.

 

Me voici alors quasiment au point de départ en termes de filtrage de mon système, essentiellement en raison de la méthode employée jusque là...
Au moins je savais ce qu'il ne fallait pas faire...!

 

La courbe du haut-parleur médium sans filtre (avec un évent de 75mm), avec un circuit RC en bleu et sans RC en vert, pratiquement pas de différence, ce qui montre que ce dispositif n'agirait qu'en présence du filtre.

On retrouve les 10 dB d'écart (à 1 kHz) lorsque le circuit RL // est installé, en dehors de cela et d'un point de vue purement graphique, le tweeter ne sert quasis à rien!

La courbe rouge correspondant au système filtré complet me sert uniquement de comparaison pour la suite.

 

Le haut-parleur médium filtré (self + circuit RL // ~-7 dB, évent 75mm), avec RC en vert; sans RC en bleu.
La courbe suit une pente un peu plus "normale" dans le haut médium avec le RC.

 

Le même avec un circuit RL // à -10 dB et le RC.
C'est un peu mieux jusqu'à 1 kHz, mais impossible de suivre la courbe ISO 2969X au-delà.

Dans mon cas le circuit RL // corrige bien la courbe du médium, mais il atténue beaucoup trop au-dessus de 1 kHz, ce qui me pose un problème de raccordement avec le tweeter.
Sauf à trouver un tweeter qui descendrait jusqu'à 800 Hz minimum, c'est l'impasse...

 

Changement de stratégie!

Sachant que le circuit RL // a pour but de compenser la largeur du baffle, et que ses composants sont dimensionnés en fonction de cette largeur, pourquoi ne pas modifier ce baffle pour en limiter la compensation "électronique" ou même s'en passer ?
Cette idée commençait justement à germer dans ma tête pour encastrer les haut-parleurs et repositionner l'évent, mais là j'avais une raison supplémentaire pour le faire.
C'est parti!

 

Quelques mots sur l'alignement des haut-parleurs...

Le but de cet alignement est d'assurer la cohérence temporelle des signaux émis par chaque haut-parleur à la fréquence de raccordement, afin de restituer le signal complet à l'auditeur avec un minimum de distorsion.
C'est en tout cas ma définition, et y arriver est beaucoup plus complexe qu'il n'y parait tant les paramètres sont nombreux et sujets à discussions.
J'avoue ne pas prétendre y être arrivé moi-même d'ailleurs, n'ayant pas le moyen de le mesurer, je ne peux que faire confiance à mes oreilles!

Pour assurer une certaine cohérence acoustique entre deux haut-parleurs chargés de restituer une gamme de fréquences successives, il faudrait aligner selon un plan vertical les centres émissifs de chaque haut-parleur à la fréquence de raccordement.

En pratique, déterminer la position exacte de ces centres est d'une part quasis impossible et l'instant précis où les signaux sortent de chaque haut-parleur dépend d'autre part de l'ordre du filtre utilisé.
Avec ça on est bien avancé...?!

Si on n'est pas trop exigent, la méthode consistant à incliner les enceintes vers l'arrière comme expliqué dans le chapitre sur la mise en phase des haut-parleurs (merci à JMK), permet très rapidement de constater ou non une amélioration.
La méthode est empirique, mais efficace, la bonne inclinaison est trouvée à l'écoute assez facilement.

J'ai constaté lors de cette manœuvre que l'image sonore gagnait en profondeur et en clarté, je m'explique.

Avec mes enceintes en position verticale et les haut-parleurs montés directement sur la façade, donc avec un décalage des centres émissifs de quelques millimètres, l'image sonore que l'on peut assimiler à un écran de cinéma paraît vue du point d'écoute plutôt plate, voire légèrement basculée vers l'auditeur.
Cela me donne l'impression que la musique sort des enceintes à une hauteur inférieure de celle des haut-parleurs.
L'effet stéréo existe, mais sans plus, certains instruments comme la voix de la chanteuse sont perçus en "doublé", c'est-à-dire à la fois à droite et à gauche, il manque de la profondeur...

Chaque enceinte est assez présente et cela nuit à l'image stéréophonique globale, un beau gâchis en somme !

En inclinant progressivement les deux enceintes vers l'arrière, l'image sonore semble se redresser et se déformer en arc de cercle vers l'arrière donnant de la profondeur, ainsi que du volume et de l'espace entre les instruments.
Il est du coup plus facile d'identifier chaque source (instrument(s) et voie(s)) et de les localiser dans l'espace.
Dans le même temps, les enceintes "s'effacent" presque, donnant l'impression que la musique sort d'une "enceinte monophonique virtuelle" de grande taille que l'on aurait placée entre les deux premières, ce qui est un peu déroutant !

Conséquence de cet alignement ou conséquence du "bon" filtrage des haut-parleurs, j'ai également constaté une meilleure précision sur les impacts.
Bref, une image sonore "qui a de la gueule"... si j'ose dire !

Reste ensuite à savoir si on garde les enceintes inclinées, ou si une "opération" du baffle s'impose pour caler les haut-parleurs à la bonne distance l'un de l'autre dans le plan vertical (distance que l'on peut calculer à partir de l'inclinaison retenue précédemment) pour que les enceintes se retrouvent dans une position plus conventionnelle.
Voici mon point de vue sur la question.

Cette méthode est une solution sans frais et a le mérite d'être réversible.
Elle présente néanmoins à mon avis au moins un inconvénient :
Elle ne prend pas en compte la direction des lobes de diffusion principaux (dans l'axe) des haut-parleurs qui peut être différente de la direction du lobe formé par la sommation des signaux passe-haut et passe-bas à la fréquence de raccordement (Fr).

L'auditeur placé au point d'écoute peut percevoir des différences de niveau acoustique selon que les fréquences sont émises à, ou en dehors de Fr.
Explications du propos en images...

 

Intuitivement, le lobe principal de diffusion de chaque haut-parleur, ainsi que le lobe résultant de la sommation à la fréquence de raccordement doivent être dirigés vers le point d'écoute sur toute la bande audible.
Bien que séduisante, l'inclinaison de l'enceinte ne permet pas de répondre complètement à cette attente, je pense qu'elle peut être utile pour évaluer la distance de recul nécessaire au passe-haut quand on n'a pas de matériel (avec l'imprécision qui va avec), mais qu'il faudrait envisager des solutions plus adaptées pour aller au bout du raisonnement.

Cette méthode est, à mon avis, à réserver aux enceintes de faibles hauteurs que l'on ne veut (peut) pas modifier.
J'espère que JMK ne m'en voudra pas...

 

Voici les courbes obtenues après l'opération du baffle avec le haut-parleur médium seul en rouge, et avec filtre + correcteur RL // (~-3,5 dB) + RC en vert.
La différence est flagrante, non seulement le haut-parleur monte beaucoup moins dans le haut médium (~5 dB seulement au lieu de 10 dB), mais aussi la correction RL // demande une atténuation moins importante pour obtenir une réponse à peu près plate jusqu'à 1 kHz.
La réponse totale avec le TWT en bleu demande encore quelques réglages.

À ce stade, je m'interrogeais sur la réelle nécessité du circuit RL // et qu'un simple filtrage serait peut être suffisant pour arriver à ce que je voulais...

 

Réponses du haut-parleur médium seul obtenues avec trois passe-bas différents (toujours du 1^er ordre) + RC.
Les courbes rouge et vertes sont "dans un mouchoir", mais le comportement du médium est finalement beaucoup plus satisfaisant comparé aux essais réalisés précédemment avec le circuit RL //.

La courbe bleue montre une atténuation un peu trop prononcée au-dessus de 700 Hz qu'il est difficile de compenser par le tweeter, celui-ci ne descendant pas en dessous de 1500 Hz, comme illustrée par la courbe suivante.
C'est un réglage intermédiaire, entre la courbe bleue et verte, qui a donné le meilleur résultat par la suite.

 

La réponse des enceintes en bleu suit quasiment la courbe ISO 2969X de 40 à 20 kHz avec cependant quelques "accidents" que j'attribue essentiellement à la pièce d'écoute, au moins en dessous de 500 Hz.
Par exemple, en ouvrant une porte de communication entre mon salon et la véranda, la courbe rouge affiche une atténuation significative entre 100 et 200 Hz.
Le couplage de ces deux pièces influence donc le résultat final.
Bien d'autres éléments de la pièce d'écoute doivent être responsables de ces accidents, aucun traitement acoustique n'étant mis en œuvre, pour le moment c'est l'allure générale de la courbe qui m'intéresse.

Au-dessus de 700 Hz et jusqu'à 5 kHz environ, il y a certainement moyen de faire mieux...
Mais en tous cas cela n'a rien à voir avec la courbe obtenue au retour des enceintes de chez l'ami Christophe! (Il n'y est pour rien d'ailleurs).

 

Cette courbe montre le réglage intermédiaire du filtrage du passe-bas avec une amélioration sensible entre 700 et 2 kHz, en revanche une tentative d'amélioration du passe-haut s'est soldée par un échec!

 

Dôme Acoustique