Créateur d'enceintes acoustiques

3wAC1

3wAC1 est l’enceinte qui oppose le concept du filtrage haute-précision et l’alternative séduisante de la configuration large-bande. A bande passante égale, la 3wAC1 peut délivrer deux sonorités complètement différentes…

Introduction, enceinte 3 voies ou large-bande ?

Comme son nom l’indique le haut-parleur large-bande (ou full-range) est conçu pour reproduire une bande de fréquences très large. En utilisation standard il peut être dépourvu de filtrage, monté dans une caisse basse-reflex, TQWT, clos ou autre, il est parfois épaulé par un woofer et (ou) un super-tweeter qui reprennent le relais seulement dans les fréquences extrêmes.

On peut se demander l’intérêt d’une configuration multivoies dans laquelle on utiliserait le même haut-parleur large-bande qui reproduirait cette fois-ci une bande de fréquences beaucoup plus restreinte.

Tout en sachant que la mise au point serait plus longue, plus compliquée et plus coûteuse car il faut maintenant des haut-parleurs spécifiques pour le grave et l’aigüe avec en prime la nécessité d’effectuer des mesures pour un filtrage précis si on veut arriver à faire fonctionner tout ce monde en harmonie.

alexaudio 3wAC1 fostex FE127E, Monacor SPH-170, TB-Speaker 25-1744S

3wAC1

Pour répondre à cette question j’ai créé une enceinte 3 voies de haut niveau construite autour d’un large-bande.

Avec un filtre qui pourra concéder à revenir instantanément vers une configuration quasi full-range à l’aide d’un simple interrupteur à 2 positions, on peut ainsi juger du réel apport qualitatif d’une mise au point multivoies à côté de la philosophie large-bande.

La partie commutable du filtre concernera uniquement le spectre medium/aigüe, le grave sera assuré par deux woofers dans les deux modes de fonctionnement.

généralités
dimensions h x l x p 101.5 x 21.0 x 39.8cm
poids 48kG (paire)
caractéristiques short-range 3w full-range
bande passante 45Hz-20kHz 45Hz-20kHz
sensibilité 91dB 91.5dB
puissance 150W 150W
impédance nom=6ohm min=3.4ohm nom=8ohm min=3.4ohm
X-O grave/medium 330Hz 12dB-6dB/oct 330Hz 12dB-6dB/oct
X-O medium/tweeter 1500Hz 6dB-12dB/oct

Le choix du haut parleur large-bande

Parmi la pléthore de large bande qui existe sur le marché j’ai choisi le Fostex FE127E qui est selon moi une référence dans son milieu, avec un rapport qualité prix très intéressant. Il a une bonne réputation puisque les avis qui ressortent des écoutes de ce LB sont généralement assez élogieux ; une grande cohérence, une restitution détaillée, une bande passante satisfaisante et même une certaine neutralité même si je ne partage pas tellement ce dernier point.

Avec un FE127E dans une enceinte 3 voies, à priori on pourrait penser que ça nous laisse une grande liberté quant au choix des fréquences de coupure. Mais malheureusement, de manière générale le mode de fonctionnement du large-bande s’accompagne de quelques contraintes que nous devons prendre en compte…

alexaudio 3wAC1 fostex FE127E, Monacor SPH-170, TB-Speaker 25-1744S

Fostex FE127E Fs=71Hz Qts=0.44 VAS=10l charge close 2.3 litres nets

Le fonctionnement du large-bande.

caract. principe de fonctionnement contraintes
Une bobine mobile faiblement inductive…bobine mobile du large bande … permet de conserver la sensibilité du haut-parleur dans les hautes fréquences. En effet, l’inductance de la bobine a pour conséquence de remonter l’impédance dans l’aigu. Elle agit comme une filtre passe-bas. Diminuer l’inductance revient donc à décaler vers le haut la fréquence de coupure de ce ‘filtre’. Pour diminuer l’inductance il faut diminuer le nombre de spires, donc la taille de la bobine. Mais ceci limite d’autant la possibilité de déplacement de l’équipage mobile et la tenue en puissance. Il faudra donc éviter de reproduire du grave avec ce HP, c’est pourquoi les woofers se chargeront de ce registre dans les deux modes de fonctionnement.
Une membrane souple…image fragmentation membrane large bande … accentue la déformation et le fractionnement de l’équipage mobile, les résonances sont multiples mais contrairement aux membranes rigides leurs amplitudes sont relativement bien amorties. Dans les hautes fréquences la périphérie de la membrane n’arrive plus du tout à suivre le moteur, celle-ci se comporte alors comme une espèce de guide d’onde qui augmente la sensibilité dans l’axe. Dès le haut medium/bas aigüe ce type de membrane ne réagit plus du tout de façon uniforme, le fonctionnement vibratoire devient très complexe. Il apparait vite de très nombreuses résonances accompagnées d’accidents d’amplitude et de phase et une directivité prématurée. En mode short-range le recoupement avec le tweeter sera fait avant que tous ces phénomènes apparaissent.

Le choix des woofers et du tweeter

Monacor SPH-170

Monacor SPH-170 Fs=38Hz Qts=0.44 VAS=37l charge BR 55litres pour les deux HP

Le registre grave est assuré par deux Monacor SPH-170 (diamètre 17cm), woofers assez classiques sur le plan technique mais bien construits et avec un design sympathique. Les woofers sont chargés dans 55litres avec un évent bass-reflex accordé à 33Hz, voici la courbe de réponse; low freq curve

TB-speaker 25-1744S

TB-speaker 25-1744S Fs=700Hz

Pour les raisons évoquées dans le tableau ci-dessus j’ai choisis un tweeter qui accepte une fréquence de coupure relativement basse, le 25-1744S du constructeur chinois TB-speaker.

La mise en œuvre ; filtrage passif 3 voiesFiltrage 3 voies enceinte colonne 3wAC1

Les fonctions de transfert sont exclusivement simulées à partir de mesures physiques des haut-parleurs in situ. Ce filtre est donc optimisé pour un seul plan d’ébénisterie, celui publié plus bas. Les valeurs des composants sont toutes normalisées.

Filtrage 3 voies enceinte colonne 3wAC1

Filtrage 3 voies enceinte 3WAC1, short-range

SPH-170 x2

Fréquence et pente de coupure passe-bas :
330Hz – 12dB/oct

Les woofers disposent d’un circuit de compensation RLC (L2 avec sa résistance interne, et C2) qui aplanit le pic de résonance des HP puis relève l’impédance minimale. En pratique cette cellule permet à la fonction de transfert de rester très linéaire dans les basses fréquences.

Compensation impédance et phase électrique

Impédance et phase électrique en pointillé. rouge=sans compensation, bleu= avec

A noter que la phase électrique est également plus linéaire, avec une valeur proche de 0° dans le grave, vue par l’amplificateur la charge se comporte alors comme une résistance (ou presque) du point de vue électrique.
Les deux SPH-170 sont raccordés en parallèle, ils ont été mesurés comme s’il s’agissait d’un unique HP c’est pourquoi il n’y a qu’un seul SPH-170 représenté sur le schéma.

FE127E

Fréquence et pente de coupure passe-haut :
330Hz – 6dB/oct
Fréquence et pente de coupure passe-bas :
1500Hz – 6dB/oct

Le filtrage du FE127E en 6dB/oct électrique a nécessité quelques aménagements. Les composants C5 et L4 effacent totalement le pic d’impédance de l’équipage mobile. Cette cellule est indispensable pour le bon fonctionnement du passe-haut.

Fonction de transfert avec et sans RLC FE127E 3WAC1

Fonction de transfert filtre FE127E. rouge=sans compensation, bleu=avec

Le passe-bas à 1500Hz contraint le FE127E à s’exprimer avec un comportement mécanique simple car sa membrane est encore peu soumise aux fractionnements et résonances à ce niveau de fréquence. Le condensateur C4 permet d’augmenter l’ordre du filtrage (12dB/oct à partir de 3kHz), on s’affranchit ainsi des accidents d’amplitude&phase du LB de manière beaucoup plus radicale qu’en 6dB/oct minimaliste.

25-1744S

Fréquence et pente de coupure passe-haut :
1500Hz – 12dB/oct

Coupé à 1500Hz avec un ordre de filtrage relativement faible, le 25-1744S tient la puissance sans problème, mais de nombreux tweeter en feraient autant. Cette fréquence de coupure avec le FE127E confère à l’enceinte une réponse en puissance excellente avec une directivité quasi négligeable jusque 5kHz. La résistance série pour l’égalisation n’est que de 1 Ohm, cette résistance R2 est shuntée par un condensateur C7 qui compense la petite perte de puissance causée par la remontée d’impédance du 25-1744S.

Fonction de transfert filtre 25-1744S, compensation impédance, linéarisation de la courbe de réponse

Fonction de transfert filtre 25-1744S, rouge=sans compensation, bleu=avec

Réponses en fréq. individuelles

Courbes de réponse des haut-parleurs sans filtrage.

Courbes de réponse individuelles avec un fenêtrage large

Courbes individuelles des HP, gris=SPH170x2, vert=FE127E, bleu=25-1744S

Les SPH-170 ont un fonctionnement sein jusque 300Hz, au delà de cette fréquences les premiers fractionnements de membrane apparaissent. La réponse du FE127E comporte beaucoup d’accidents au dessus de 3kHz dont deux importantes résonances à 4.5kHz et 6.5kHz. Sur la courbe de réponse du tweeter on remarque une perte de sensibilité entre 2kHz et 3kHz, celle-ci est causée par le bafflage du HP ; rien d’anormal.

Courbes de réponse des haut-parleurs filtrés et réponse totale.

Courbe de réponse 3Wac1 short-range avec réponses individuelles

Courbes individuelles des HP filtrés, fenêtrage 300Hz, gris=SPH170x2, vert=FE127E, bleu=25-1744S, noir=total

Ici, les résonances du FE127E sont rendues anodines par le filtrage. Entre 2kHz et 3kHz, sur la courbe de réponse totale on retrouve la perte de sensibilité du tweeter, mais comme la nature a horreur du vide, elle sera rapidement compensée par la réponse en dehors de l’axe (voir les courbes de directivité).

Réponses en fréq. totales

Courbe de réponse et courbe de phase.

courbe de réponse 3Wac1 short-range, dynamique 50dB

fenêtrage 300Hz, noir=réponse, gris=phase

La courbe de réponse a une échelle de 50dB sur l’axe Y, ce qui est communément utilisée pour la publication des courbes.

Courbe de réponse avec le tweeter en opposition de phase.

Courbe de réponse 3Wac1 short-range, superposition avec tweeter en opposition de phase

fenêtrage 300Hz, noir : réponse totale, rouge : tweeter en opposition de phase

La réponse de l’enceinte avec le tweeter en opposition de phase montre que, en fonctionnement normal, les haut-parleurs medium/aigu sont bien en phase et que la plage de recouvrement est importante.

Directivité horizontale

Courbes de directivité de 0° à 90° par pas de 15°

Directivité enceinte 3WAC1 short range avec Monacor SPH170, Fostex FE127E et TB-Speaker 25-1744S

fenêtrage 300Hz, Directivité enceinte 3WAC1 short range, noir=réponse dans l’axe

Zoom sur la directivité de l'enceinte 3WAC1 sur la zone 2kHz, Monacor SPH170, Fostex FE127E et TB-Speaker 25-1744S

Zoom directivité 2kHz à 3kHz, noir=réponse dans l’axe

Les courbes de réponse à 0°, 15° et 30° sont pratiquement parallèles sur toute la bande audible. Les courbes ci-contre zooment sur la directivité de la plage 2kHz à 3kHz, là où des effets de diffraction sont intéressants; On remarque que les réponses hors axe compensent naturellement la perte de puissance acoustique à 0° sur cette même plage de fréquence.

Diagramme de directivité.

Diagramme de directivité 3WAC1 short range, Monacor SPH170, Fostex FE127E et TB-Speaker 25-1744S

Diagramme de directivité 3WAC1 short range

La directivité en fréquence est progressive quelque soit l’angle. L’équilibre tonal reste très bon jusqu’à un angle de 30°.

Phases relatives

Phase relative SPH170x2/FE127E
Les haut-parleurs grave et medium sont bien en phase dans la majeur partie de la zone de recouvrement.

Phase relative SPH-170x2/FE127E avec zone de recouvrement

Phase relative SPH-170×2/FE127E avec zone de recouvrement ; vert=gain>3dB

Dans cette même zone, les longueurs d’ondes s’étendent de 100 à 225cm ce qui rend négligeable l’entre-axe entre les HP. Il n’y a aucune interférence sur le plan vertical.

Phase relative FE127E/25-1744S
Le FE127E et le 25-1744S fonctionnent parfaitement en phase sur une large plage de fréquence.

Phase relative FE127E/25-1744S avec zone de recouvrement

Phase relative FE127E/25-1744S avec zone de recouvrement ; vert=gain>3dB

Avec une coupure à 1500Hz et un entre-axe de seulement 13cm, l’incidence de la position d’écoute sur la phase relative est considérablement limitée. Sur le plan vertical les interférences sont peu nombreuses.

Caractéristiques temporelles

Cumulative Spectral Decay (CSD)

Cumulative spectral decay 3WAC1, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Cumulative spectral decay 3WAC1

A 4.5kHz il subsiste un résidu de la résonance du FE127E, son amplitude est dérisoire. Vers 20kHz le dôme rigide du 25-1744S entre en résonance.

Alignement temporel.

Step response 3wAC1, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Step response 3WAC1

L’alignement temporel entre les haut-parleurs est très bon. On retrouve visuellement l’inversion de polarité du medium conformément au schéma électrique du filtre.

Le filtrage en mode full-range, adaptation du filtre Enceinte colonne 3wAC1 en mode large bande, Monacor SPH-170, Fostex FE127E

Filtrage mode full-range 3wAC1

Commutateur de filtrage passif alexaudio 3wAC1

interrupteur

Pour passer du mode short-range 3 voies vers le mode full-range il suffit de court-circuiter la self L3, de déconnecter C4, et bien sure de déconnecter le tweeter. Cette opération peut être réalisée très simplement à l’aide d’un interrupteur à bascule de type inverseur tripolaire. Cet interrupteur peut être installé de façon définitive ou provisoire sur le filtre, il est uniquement nécessaire pour le mode full-range. Nous verrons dans le test comparatif ci-dessous que cette permutation de fonctionnement est très pédagogique. A droite le schéma équivalent du filtre en mode full-range.

Schéma simplifié du filtre en momde full-range

Schéma simplifié du filtre 3wAC1 en mode full-range

Test comparatif entre les modes short-range et full-range Test comparatif entre le large bande et une enceinte 3 voies

Courbe de réponse et courbe de phase

Courbe de réponse et courbe de phase du mode short-range.

Courbe de réponse et courbe de phase enceinte colonne 3wAC1, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Courbe de réponse & courbe de phase short-range

Courbe de réponse & courbe de phase du mode full-range.

Courbe de réponse et courbe de phase enceinte colonne 3wAC1 full range, Monacor SPH-170, large bande Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Courbe de réponse & courbe de phase full-range

Directivité horizontale

Directivité horizontale du mode short-range.

Courbes de directivité enceinte colonne 3wAC1 short range, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

courbes de directivité short-range, noir=réponse dans l’axe

Directivité horizontale du mode full-range.

Courbes de directivité enceinte colonne 3wAC1 full range, Monacor SPH-170, large bande Fostex FE127E

Courbes de directivité full-range : noir=réponse dans l’axe

Directivité (sonogramme)

Sonogramme de directivité du mode short-range.

Sonogramme de directivité enceinte colonne 3wAC1, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Sonogramme de directivité normalisé sur 0dB/0° short-range

Sonogramme de directivité du mode full-range.

Sonogramme de directivité enceinte colonne 3wAC1 avec le Fostex FE127E en mode large-bande

Sonogramme de directivité normalisé sur 0dB/0° full-range

Distorsion harmonique

Distorsion harmonique du mode short-range.

Distorsion harmonique de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode 3 voies, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Distorsion harmonique short-range, mesure à 25cm de la tête medium/aigue

Distorsion harmonique du mode full-range.

Distorsion harmonique de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode large bande, Monacor SPH-170, Fostex FE127E

Distorsion harmonique full-range, mesure à 25cm de la tête medium/aigue

Caractéristiques temporelles

Cumulative Sprectral Decay (CSD) du mode short-range.

Cumulative Spectral Decay (CSD) de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode 3 voies, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

Cumulative spectral decay du mode short-range

Cumulative Sprectral Decay (CSD) du mode full-range.

Cumulative Spectral Decay (CSD) de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode large bande, Monacor SPH-170, Fostex FE127E

Cumulative spectral decay du mode full-range

Réponse en fréquence :

Sur la courbe de droite, au dessus de 3kHz le large-bande impose ses courbe de réponse & phase accidentées. Les pics d’amplitude du FE127E à 4.5kHz et 6.5kHz ne sont pas compensés, la courbe de réponse reflète simplement le résultat de l’utilisation courante de ce haut-parleur. La légère remontée de sensibilité dans le registre aigüe permet de compenser une petite partie de la perte d’énergie du Fostex, nous verrons si cela est suffisant.

Directivité horizontale :

Les courbes sont relativement identiques jusqu’à 2kHz, mais au delà de cette fréquence le mode full-range se différencie avec une aggravation rapide de sa directivité accompagnée de variations brutales. Le mode short-range propose quant à lui une directivité modérée et homogène sur toute la bande passante. A 10kHz le TB-Speaker 25-1744S conserve un angle de diffusion confortable alors que le FE127E n’est pratiquement plus effectif en dehors de 15°.

Distorsion harmonique :

Dans le mode short-range, on observe quelques variations abruptes de la distorsion harmonique de rang 3 avec une amplitude culminante vers 2.2kHz qui est vraisemblablement causée par le deuxième pic de résonance du FE127E, celui à 6.5kHz. Ceci montre qu’en pratique les harmoniques peuvent être amplifiées par la résonance intrinsèque d’une membrane. Même ici, malgré une coupure du FE127E à 1500Hz, nous n’arrivons pas totalement à nous affranchir de tous ses défauts.

Caractéristiques temporelles :

De manière comparable aux courbes de directivité, ce n’est qu’à partir de 2kHz que l’apport du tweeter se fait réellement ressentir. Le 25-1744S fourni un registre aigüe avec très peu de défauts jusqu’à 20kHz alors que le mode short-range est fortement pollué par les nombreux fractionnements et résonances de la membrane du large-bande. On remarque que le CSD du mode short-range n’est pas entièrement débarrassé des deux importantes résonances du medium.

L’écoute de la 3WAC1 en mode short-range Fonction de transfert, illustration

Le résultat d'écoute de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode 3 voies, Monacor SPH-170, Fostex FE127E, TB-Speaker 25-1744S

3wAC1

Dans ce mode de fonctionnement le filtrage permet aux haut-parleurs de retransmettre la musique avec un minimum de coloration. La 3Wac1 produit un son tout à fait neutre, les enregistrements expriment ainsi leurs subtilités sans aucune redondance.

La directivité étant très faible quelle que soit la fréquence, l’enceinte demeure cohérente en dehors de l’axe d’écoute, et ce même dans un milieu fortement réverbérant.
Grâce à sa réponse en énergie homogène, l’enceinte procure une excellente définition et une écoute analytique sans agressivité.

Sans être abyssal le grave est bien articulé, net et correctement placé.
La cellule RLC parallèle de compensation d’impédance des woofers permet au registre grave d’être exempt de prédominance vers 100Hz ce qui a pour effet d’ augmenter subjectivement l’étendue de l’extrême grave.

Malgré une fréquence de coupure à 1.5kHz du tweeter, la 3wAC1 dispose d’une bonne tenue en puissance et autorise des écoutes longues sans fatigue auditive même à fort volume.

L’écoute de la 3WAC1 en mode full-range Cumulative Spectral Decay (CSD) de l'enceinte colonne 3wAC1 en mode large bande, Monacor SPH-170, Fostex FE127E

Dans ce mode full-range, le large-bande recouvre la plage de fréquence 330Hz-20kHz et nous l’avons vu sur les mesures, la majorité des défauts du FE127E interviennent à partir de 2kHz.

Lors des premières secondes d’écoute, on remarque immédiatement l’énorme différence de sonorité qui existe en entre les deux modes de fonctionnement. En comparaison, l’enceinte produit ici une sonorité fortement colorée. Le FE127E inflige sa signature sonore en permanence,

ce n’est pas forcément désagréable mais cette signature redondante crée une lassitude au cours des écoutes. L’enceinte procure une bonne définition mais celle-ci a tendance à se dégrader sur les messages complexes.
Le moindre désalignement par rapport à l’axe du FE127E s’accompagne d’une perte de bande passante et occasionne un aigüe manquant de clarté. Malgré le surplus de sensibilité dans les hautes fréquences, l’enceinte fournit un registre aiguë en retrait par rapport au mode short-range.

gros plan FE127E

gros plan FE127E

Conclusion, le large-bande est supplanté

Les mesures et les écoutes comparatives entre ces deux modes de fonctionnement démontrent que le niveau de performance d’une enceinte dépend d’avantage de la mise en œuvre, que des haut-parleurs qui la compose.

développement enceinte acoustique alexaudio

On constate que la philosophie à priori séduisante du large-bande n’offre pas du tout la même qualité ni le même confort d’écoute qu’une solution multivoies issue d’un développement rigoureux.

Le développeur a la main mise sur le résultat.

Avec deux sonorités complètement différentes, preuve est faite que le large-bande est supplanté par la mise en oeuvre du même HP complété par un tweeter, le tout filtré de manière optimale.

 

Plan de construction de l’enceinte acoustique 3wAC1

plan de construction enceinte acoustique haute-fidélité alexaudio 3wAC1, 3 voies pour les haut-parleurs Monacor SPH-170, Fostex FE127E et TB-Speaker 25-1744S

encastrements des HP & évent
Tweeter TB-speaker 25-1744s Ø découpe 48mm
Ø feuillure 66mm, profondeur 4mm
Medium FOSTEX FE127-E Ø découpe 103mm
sans feuillure
Woofer MONACOR SPH-170 Ø découpe 151mm
Ø feuillure 186mm avec profondeur 7mm
Évent MONACOR MBR-70
coupé à 120mm
Ø perçage 72mm
Ø feuillure 97mm avec profondeur 3.5mm
charge type volume net amortissement
Medium clos 2.3l alvéolé : 30%
dacron : 70%
Woofers BR 55l dacron : 25%
Identifiant SIRET : 583 281 486 00018