1-1-4-2 : La phase acoustique

Mise à jour : 28 février 2023, Antidote 11.

 

Définition :

Dans son livre Le haut-parleur : Manipulations et mesures électroacoustiques, Joe d'Appolito nous explique la phase d'une sinusoïde :

La phase est l'Alpha et l'Oméga de la sinusoïde. La phase d'une sinusoïde n'est rien d'autre que son argument.
Par exemple dans l'expression x(t) = a*sin(2*Pi*ft+phi), le terme entre parenthèses (2*Pi*ft+phi) est la phase totale de la sinusoïde, avec f pour la fréquence, t pour le temps et phi pour la phase initiale à l'instant zéro, le début de l'intervalle de mesure.

Un signal musical est une suite de sinusoïde, donc avec une phase.
Les filtres de coupure entre les haut-parleurs, où les coupures acoustiques apportent leurs rotations de phase.
Quand la fréquence augmente, les pentes deviennent de plus en plus négatives, les aigus sont de plus en plus en avance sur les graves.
Certaines enceintes corrigent une partie des problèmes de phase acoustique en reculant le médium et le tweeter par rapport au grave :
Les aigus sont bien en avance, une avance de phase correspond à une pente négative.

 

Analyse pertinente :

L'expression x(t) = a*sin(2*Pi*ft+phi) est trompeuse : Quand la phase dépasse 359°, la phase revient à 0°.
Pour ceux qui analysent les conséquences au milieu d'un train de sinusoïde, ce n'est pas gênant, c'est invisible si vous n'avez ni le départ ni la fin du train d'ondes.
Pour nous amateurs de musique qui n'est faite que d'impulsions, une phase à 360° n'est pas identique à une phase à 0° au niveau du résultat d'écoute :
Prenez un caisson de grave coupé à 80 Hz, la longueur d'onde, les 360° de phase, correspond à 344/80 = 4.3 m.
Déplacez votre caisson de 4.3 m dans votre pièce, vous n'aurez pas du tout la même qualité sonore !!!.

En hi-fi, pour les enceintes, l'analyse du signal doit se faire exclusivement sur la première demi-sinusoïde.
Ainsi une phase de 90° ou de 360+90 = 450° ne sont plus identiques dans leurs conséquences.
La sommation du signal de deux haut-parleurs avec leur filtre n'est plus à l'attendu dans certains cas, et c'est audible.
Si vous faites l'analyse au milieu du train d'ondes, vous ne le voyez pas, si vous analysez sur la première demi-sinusoïde cela saute aux yeux.

Exprimé autrement, si vous réglez votre système en utilisant le milieu du train d'ondes, vous aurez un excellent résultat sur les notes continues de l'orgue, et un beaucoup moins bon sur les percussions des timbales.
Si vous réglez sur la première sinusoïde vous serez tout aussi bon sur l'orgue, et excellent sur le jeu des timbales ou sur les explosions dans vos films préférés.

 

La phase acoustique :

Lors de la mesure d'une enceinte, d'un ampli, tout le monde connaît la courbe de réponse.
La courbe de réponse, c'est la réponse en amplitude du signal, qui est plus ou moins fort.
Il y a une 2^e composante, qui est systématiquement passée sous silence, c'est une composante dans le temps : la phase.
Cette phase est acoustique pour la mesure des enceintes.

Imaginons un signal sonore composé de 3 signaux, un à 100 Hz, un à 1000 Hz, un à 10000 Hz.
La forme de ses trois signaux de départ est telle que les maximums arrivent rigoureusement en même temps et s'additionnent sur le message sonore original.

Imaginons maintenant une enceinte à trois voies, avec des filtres de séparations entre les HP, une coupure acoustique du HP de grave vers 40 Hz, une coupure acoustique du tweeter vers 20000 Hz.

• La coupure acoustique en passe haut du HP de grave entraîne des rotations de phase.
• Les coupures du filtre entraînent des rotations de phase. (Sauf si vous avez un filtre numérique FIR, ou si vous restez à phase linéaire dans rePhase).
• La coupure acoustique en passe bas du tweeter entraîne des rotations de phase.

Toutes les rotations de phase vont s'additionner pour faire quelque chose d'assez conséquent au final.
La conséquence est que nos trois signaux à 100, 1000 et 10000 Hz ne vont plus arriver ensemble à vos oreilles, alors qu'ils étaient ensemble sur le signal de départ.
Le timbre des instruments se reconnaît grâce au fondamental et aux harmoniques, vous aurez plus de mal à reconnaître les instruments : c'est une non-fidélité manifeste.
Les maximums de nos trois fréquences ne vont plus arriver ensemble, et ne vont donc plus s'additionner. C'est une perte en dynamique.

Corriger la phase par convolution permet de compenser toutes les erreurs apportées par les enceintes et leur filtre, de les corriger en sens inverse avant l'ampli, pour que le son reproduit par les enceintes soit le même que celui enregistré sur le support.
Si votre chaîne apporte 1000° de rotation de phase du grave à l'aigu, que vous corrigez de 1000° en sens inverse, vous obtenez 0° au final à l'écoute : le signal entendu au concert acoustique...
Le principe n'est pas plus compliqué que cela...

Les gains à l'écoute de la correction de la phase acoustique sont loin d'être négligeables.
L'ambiance de la scène sonore, tout le message sonore en arrière-plan, est mieux défini.
Les plans sonores se mettent beaucoup mieux en place, vous entendez des détails qui passaient inaperçus avant, sans avoir changé quoi que ce soit dans votre matériel.
Vous passez d'un tweeter quelconque à un excellent tweeter en faisant les corrections de phase acoustique aux fréquences élevées, et avec une courbe cible qui atténue les aigus sur l'amplitude.
La qualité du grave a progressé, avec un rendu des percussions convaincantes, et une impression de plus d'extrême grave.
Quand vous passez de pas de correction de la phase acoustique sur le grave, à la bonne correction, puis à une sur correction, vous passez d'un grave lourd et baveux à un grave idéal puis à un grave trop léger.

 

Mesure ou pas ?

Vous pouvez corriger la phase acoustique sans avoir de système de mesure, et avoir 70% du résultat obtenu à la mesure.
Vous allez partir de ce que vous connaissez le mieux, les pentes et fréquences des coupures du filtre de l'enceinte, la coupure acoustique du grave et celle du tweeter.
Il est possible que vous ne connaissiez pas les valeurs exactes. Mettez des valeurs approchées, ce sera mieux que rien, et affinez à l'écoute.
Modifiez un réglage à la fois, avec mise au point à l'écoute.

Les critères d'écoute ne sont pas toujours évidents, vous devez à chaque fois répondre à la question : un son différent est-il un son meilleur ?
Écoutez le message sonore en arrière-plan, et surtout la taille de l'image sonore.
Je ne me suis jamais planté avec la taille de l'image sonore.
Surtout, choisissez bien votre source, les CD de référence ne sont pas la majorité.
La fréquentation du concert acoustique vous aidera dans vos réglages, vous aurez en tête le son réel des instruments acoustiques, le bon équilibre sonore entre les graves et les aigus.

Il y a un autre point incontestable, une solution commerciale qui vous fait placer le micro de mesure au point d'écoute ne peut pas corriger la phase acoustique, parce que celle-ci ne se mesure qu'à courte distance, à moins de 1 m des enceintes.

 

Phase acoustique et philosophie :

Imaginez que vous vouliez faire une comparaison chez vous entre le son de vos enceintes et le son de deux instruments en direct.
Vous allez placer ces instruments à la place de vos enceintes.
Ces instruments sont une référence acoustique, sans défaut sur la phase acoustique.
Au point d'écoute, vous allez écouter le rendu des instruments avec une phase acoustique exacte auquel s'ajoute le retard pur dû à la distance, avec les modifications sur l'amplitude et la phase acoustique apportées par votre pièce d'écoute.

Si maintenant vous voulez entendre la même chose avec vos enceintes, vous allez devoir corriger les enceintes en amplitude et phase acoustique, pour qu'elles soient sans défaut là où elles sont placées, là où étaient placés les instruments.
Le micro de mesure devra être placé proche de chacune des enceintes, et pas au point d'écoute.
En corrigeant les enceintes là où elles sont placées, elles reproduiront exactement la même chose que les deux instruments, et vous entendrez au point d'écoute les mêmes perturbations que vous avez entendues avec les instruments en direct.
L'écoute sera neutre et fidèle par rapport au message sonore en direct du test.

Le retard pur n'est pas gênant à l'écoute : notre oreille l'intègre parfaitement.
Il est gênant à la mesure et pour les corrections, c'est là qu'il faut le supprimer totalement.

 

Faire passer le message :

J'ai essayé de faire passer le message, qu'il était nécessaire de corriger la phase acoustique.
Il y a les amateurs de la chaîne des années 70, qui ne veulent pas en entendre parler : je leur conseille gentiment le Gramophone !!!
Il y a les amateurs de systèmes à pavillon, qui ne veulent pas admettre qu'ils peuvent avoir des gains sur la dynamique en corrigeant la phase acoustique.
Il y a ceux qui veulent une solution clef en main que je ne propose pas et que je ne peux pas proposer.
Il y a les amateurs qui préfèrent acheter des câbles et d'autres électroniques au lieu de s'attaquer aux vrais problèmes objectifs et mesurables.

Je ne vais plus me prendre le chou avec des sourds !!!
Les arguments sont dans les chapitres, les chapitres sont complétés régulièrement, ceux qui veulent savoir trouveront grâce à Google.
Je me suis fait une installation pas si chère que cela puisque j'ai mis l'argent au bon endroit, j'ai une qualité d'écoute assez remarquable, cela suffit à mon bonheur.
Si vous avez besoin d'explications, je serai toujours là pour vous les donner...
Mais je trouve absolument regrettable qu'il un y ait un tel obscurantisme dans le petit monde de la hi-fi...

Nous sommes en présence d'un phénomène physique incontestable et mesurable, la mesure à travers les corrections prouve le gain objectif de la solution, et les choses sont délibérément passées sous silence.
Pourquoi ?

Et puisque j'ai parlé de dynamique en hi-fi, il est bon de savoir de quoi l'on parle, parce que là aussi il y a des fausses analyses.

 

Reprenons à zéro :

Mes enceintes dans ma pièce sont corrigées de la façon suivante :

• Correction de l'excess phase, à partir d'une mesure à 86 cm du cache noyau. (86 cm uniquement dans mon cas, à voir chez vous).
• Linéarisation de la courbe de réponse, à partir d'une mesure à 84 cm du cache noyau.
• Courbe cible "Tilt EQ" pour adapter la réponse des enceintes à la réverbération de la pièce.
• Transformée de Linkwitz pour avoir une extension de la bande passante dans le grave, et un Qtc optimal.
• Filtre passe-haut pour limiter l'extrême grave à ce qu'acceptent les HP et la pièce.
• Filtre passe-bas pour ne pas faire passer l'extrême aigu que ne sait par reproduire le HP large bande.

Faisons maintenant l'hypothèse que vous êtes particulièrement chanceux et riche pour avoir le meilleur matériel dans une pièce traitée acoustiquement.
Pas besoin de linéariser la réponse, les enceintes ont été conçues pour votre pièce.
Pas besoin de courbe cible, entre la pièce traitée et les enceintes conçues pour votre pièce, ce n'est pas nécessaire.
Pas besoin de transformée de Linkwitz, vous avez les meilleurs HP du monde dans une enceinte parfaitement adaptée.
Pas besoin de filtre passe-haut ou passe-bas, vos HP sont des HP idéaux.

Que reste-t-il ? La phase acoustique...
Pourquoi ?
Parce que les coupures acoustiques dans le grave et les aigus font varier la phase acoustique.
Parce que les filtres de coupure entre les différents HP font eux aussi varier la phase acoustique.
Parce que votre fabricant d'enceintes n'a pas reculé le tweeter par rapport au médium, le médium par rapport au grave, pour une mise en phase sur les impulsions.
Vous pouvez prendre le problème dans n'importe quel sens, vous avez des rotations de phase acoustique qui ont toujours existé, c'est une non-fidélité objective et mesurable.

Pourquoi n'est-ce pas plus connu ?
Parce que les solutions numériques qui permettent de faire la correction de la phase acoustique sont récentes, qu'une bonne mesure de la phase acoustique n'est pas si facile que ça, que vous lecteurs audiophiles êtes plus du genre à freiner des 4 fers que d'y aller tête baissée...

Les fabricants d'enceintes gagneront plus d'argent à vous voir changer d'enceintes, qu'à vous donner les solutions pour améliorer sensiblement la restitution de ce que vous avez aujourd'hui.
Les fabricants d'électroniques veulent continuer à vous faire croire qu'un changement d'ampli apporte monts et merveilles : Je n'ai jamais contesté un petit gain, reste à mettre le prix en face du gain à l'écoute, comparé aux prix des corrections et des gains à l'écoute qui vont avec.
Les fabricants de câbles vous font prendre des vessies pour des lanternes, et vous les croyez : je veux bien faire de la technique, pas de la religion !!!
Les fabricants de logiciels ont intérêt, eux, à proposer des solutions clefs en main, ils ont encore du boulot pour proposer des solutions musicales.
Je vous propose dans le site une méthode pour faire des corrections musicales, mais il faudra mettre les mains dans le "camboui".

Vous allez me dire "Oui, mais l'écoute est pourtant très bonne", "ceux qui sont venus écouter trouvent aussi l'écoute très bonne".
Je ne conteste pas que vous pouvez avoir une écoute très bonne.
La correction de la phase acoustique permet d'avoir une écoute excellente, en haute fidélité les gains sont une somme de petits gains.
D'autre part le seul avis digne d'intérêt est le vôtre par rapport à ce que vous entendez au concert acoustique, nous parlons hi-fi.

Ne vous cachez pas la tête dans le sable comme les autruches, sans la correction de la phase acoustique votre chaîne aussi parfaite qu'elle soit ne sera pas aussi fidèle qu'elle le serait avec la correction : "Ce n'est pas de la hi-fi".
Elle peut vous suffire telle qu'elle est.
Vous ne pouvez pas botter en touche en niant la réalité de la phase acoustique et des gains qui vont avec quand vous avez corrigé.
Vous ne pouvez pas botter en touche en invoquant la compétence de votre fabricant d'enceinte, nous sommes en face d'un phénomène physique incontestable.

 

Les trois phases :

Dans ce chapitre je parle de la phase acoustique, qui est mesurée directement avec la courbe de réponse.
Il y a aussi la phase minimum qui est calculée directement avec la courbe de réponse : si la courbe de réponse est parfaitement droite, la phase minimum le sera aussi.
Enfin il y a l'excess phase qui est la phase mesurée moins la phase minimum.

 

Ce que je fais sur mes haut-parleurs large bande :

Sur mes large bande je ne corrige pas directement la phase acoustique avec les potentiomètres de "Paragraphic Phase EQ" :

• Je corrige la réponse à phase minimum.
• Les filtres passe-haut, passe-bas et la courbe cible "Tilt" sont à phase linéaire.

C'est bien meilleur à l'écoute ainsi.
La subtilité du réglage est dans les corrections à phase minimum ou linéaire suivant la fonction...
En faisant ainsi, vous n'avez pas à mesurer la phase pour qu'elle soit corrigée, c'est un énorme avantage.
Cette correction est une correction théorique, qui n'est pas influencée par la pièce, là aussi c'est un énorme avantage.

Je n'ai pas de solution à proposer pour les enceintes multivoies.

 

Dôme Acoustique