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Home Theater de A à Z PRO : UN AUDITORIUM « ZERO MODE » Partie 5

23 août 2005


Conception, réalisation et installation d'un ensemble d'enceintes acoustiques


Dans l'article A à Z Général 5, nous avons abordé les critères qui sont souhaitables pour des enceintes acoustiques parfaitement adaptées à la fonction Home Cinema et qui présentent des caractéristiques acoustiques connues, donc modélisables dans une conception d'auditorium ou de toute pièce destinée à l'écoute.

La conception des enceintes suivant le cahier des charges défini a été réalisé en étroite collaboration avec Vincent Delacroix, de la société Anagram Acoustics. Il s'agit à cette étape de prototypes aboutis, dont la réalisation et la commercialisation ultérieures seront confiées à AAC ltd., sous la marque AcoustiCraft.
Vincent Delacroix est co-auteur du présent article.
Voyons maintenant ce que nous allons faire…

A l'évidence, les enceintes les plus importantes sont les trois frontales, dites « enceintes d'écran », destinées d'ailleurs à être placées derrière un écran acoustiquement transparent.

1. Les enceintes d'écran

Les critères de conception

Eviter une réflexion sur le mur arrière. Pour cela, la solution radicale est le concept « In-Wall » qui a donc été adopté. Ce concept implique certaines contraintes ergonomiques intervenant dans la conception, en particulier une très faible profondeur 9cm maximum). Obtenir la plus grande plage de niveaux possible en linéarité dynamique. Ce critère revient à chercher le maintien de la courbe de réponse - et donc de l'équilibre tonal -aux niveaux sonores les plus élevés comme les plus faibles auxquels l'enceinte doit être utilisée. Etant donné la nature très différente (et leurs comportement dynamique) des transducteurs de basses et d'aiguës, le seule possibilité pour maintenir cette cohérence est d'étendre la plage dynamique individuelles des HP aussi loin que possible. Pour y parvenir, la solution la plus efficace est la suppression du filtre passif. On utilisera donc un filtre actif en amont de l'amplificateur, et un canal de ce dernier attaquera directement les haut-parleurs de graves de chaque enceinte, l'autre le haut-parleur d'aiguës.
Nous le verrons plus loin, l'utilisation d'un filtre actif électronique offre de nombreux autres avantages. Procurer un contrôle efficace de la directivité verticale, afin d'éviter au maximum les réflexions proches du sol et du plafond.

Les choix
Les choix essentiels, à partir d'un cahier des charges qui commence à se préciser, deviennent simples :

Enceinte 2 voies, avec deux haut-parleurs de graves et un haut-parleur d'aiguës ; On retiendra la disposition dite d'Appolito qui procure une directivité verticale contrôlable. Il est à noter que la vraie disposition d'Appolito ne consiste pas uniquement en le positionnement du HP aigu entre les HP de basses ; Il faut y ajouter les critères suivants :
-Espacement des haut parleurs égal ou inférieur à la longueur d'onde à la fréquence de coupure.
-Léger décalage temporel des HP de grave par rapport au HP d'aigu. Ceci permet de constituer le front d'onde courbe à la fréquence de coupure, et de contrôler ainsi la directivité dans le plan d'alignement des haut-parleurs.
-Identité de filtrage entre les HP extérieurs (graves).
Ces critères sont relativement simples à respecter, mais peuvent poser des problèmes de choix des composants : Le HP d'aigu doit nécessairement offrir une réponse utilisable en medium à une fréquence ou la longueur d'onde est égale ou inférieure à la demie somme de sa (hauteur+diamètre d'un HP de graves). Pas forcément simple… Transducteur d'aigu : Une très bonne linéarité dynamique avec une réponse utilisable jusqu'aux fréquences medium sont deux critères qui appellent très naturellement un ensemble chambre de compression + pavillon. Oui, mais…Un tel ensemble tient très difficilement dans une profondeur de 9 cm ! Avec beaucoup moins de rendement, mais un comportement dynamique très proche et une bande passante suffisante, on trouve certains transducteurs à ruban. C'est cette solution que nous avons retenue, le filtrage actif permettant de rattraper des écarts de sensibilité entre les voies sans aucun problème. Merci les filtres actifs ! HP de graves. Nous recherchons dans le cas présent un niveau sonore linéaire important (115 dB @ 1m à la puissance maximum) pour une bande passante comprise entre 60 Hz (l'extrême grave est inutile, un subwoofer est prévu) et 1.5 kHz (fréquence maximum de coupure en fonction de la taille des HP nécessaire à obtenir le niveau sonore en question, soit 21cm de diamètre (standard 8 pouces). Pour obtenir à la fois une bonne linéarité thermique et un fonctionnement linéaire à des fréquences relativement élevées (pour cette catégorie de HP), nous choisirons un modèle présentant un diamètre de bobine mobile suffisamment important et muni d'une ouverture pour une bonne ventilation.

Les composants retenus

Les transducteurs à ruban ne sont pas pléthore sur le marché, et la plupart sont des tweeters incapables d'offrir une réponse en dessous de 3 kHz. Quelques HP à ruban de plus grandes dimensions existent, et dans ceux-là nous avons choisi le modèle NEO8 de Boehlender Graebener. (Non, malgré le son très germanique de ces patronymes, il ne s'agit pas d'une société Allemande, mais Américaine). Ce produit n'étant pas distribué en France, il nous a fallu l'importer directement, ce qui ne fut pas vraiment simple… Nous avons trouvé très facilement le haut-parleur de 21 cm qui convenait chez le constructeur Norvégien SEAS.
Avec une bobine de 50 mm bobinée sur champ, ventilée à la périphérie avec un ogive métallique servant de radiateur, une sensibilité de 91 dB/1W@1m, une tenue thermique de 125 W continus, tout semblait pour le mieux. La cerise sur le gâteau était une profondeur de seulement 80 mm.
Seulement, voilà : Un délai d'approvisionnement particulièrement long (à l'époque, nous pensions que cet auditorium serait terminé bien plus tôt) nous a amené à chercher une solution alternative.
En définitive, si c'est bien le HP SEAS qui entrera dans la fabrication de l'enceinte, mais le prototype destiné à l'auditorium est équipé d'un VIFA, aux caractéristiques extrêmement proches, à un détail près : La ventilation de la bobine mobile se fait par l'arrière…

HP VIFA
Impossible, en pratique de monter un tel HP dans un volume clos de très faible profondeur sans obturer la ventilation.
Nous avons donc opté pour une solution radicale et…Inattendue !
Nous avons pris avantage de l'existence d'un couloir technique derrière la cloison côté écran pour laisser ces enceintes non chargées, c'est-à-dire qu'il ne s'agit pas réellement d'enceintes, mais de baffles-plan.
La séparation entre le couloir technique et l'auditorium permet d'éliminer tout cour-circuit acoustique, et le filtre actif permet de limiter les déplacement des haut-parleurs de graves en éliminant les fréquences d'extrême graves.

Le filtre actif
Comme nous utilisons un amplificateur 2 canaux par enceinte d'écran, le filtre actif sera chargé de séparer le fréquences basses destinées aux HP de grave-medium, des fréquences hautes, destinées aux HP à ruban. En plus, bien sûr, d'apporter les corrections nécessaires à l'obtention d'une linéarité de la réponse en fréquence.

Le filtrage bas sera obtenu à l'aide d'une cellule passe-haut résonante d'ordre 2 (12 dB/octave), d'une fréquence de coupure de 50 Hz, associé à une cellules passe-bas d'ordre 4 en fonction de Bessel ayant pour fréquence de coupure 1.3 kHz. Le filtrage haut est obtenu à l'aide d'une cellule passe-haut d'ordre également en fonction de Bessel avec coupure à 1.3 kHz, suivies d'une cellule passe-bas résonante d'ordre 2 en fonction coupant à 21 kHz.

Pour linéariser la réponse dans le medium-aigu, nous avons également ajouté sur le circuit passe-haut un étage d'égalisation. Cet étage de correction comprend principalement 2 fonctions : un filtrage passe-bas résonant d'ordre 2 en structure de Sallen-Key de Type II. La résonance de ce filtre est centrée autour de 20 kHz, et sa coupure se produit vers 22 kHz. A ceci est additionné un filtrage passif ayant une pente descendante de 3dB par octave. Ceci a pour effet de remonter la réponse du transducteur à ruban dans l'extrême aigü qui tendait à chuter au-delà des 18 kHz.

Afin d'équilibrer les niveaux entre le grave et l'aigü (les deux HP de graves en parallèle ayant une sensibilité supérieure à celle du transducteur à ruban), nous prévoyons un niveau réglable sur l'aigu, à l'aide de trois potentiomètres implantés directement sur le châssis (un par canal).

Le « design »
Comme expliqué précédemment, le design sera donc en configuration d'Apollito. Le transducteur à ruban est chargé par un guide d'ondes d'une ouverture de 90° et de 30 mm de profondeur, qui a pour vertu principale d'augmenter le niveau dans les fréquences medium (entre la coupure et 5 kHz). Ceci donne une courbe plus linéaire.

Mesures
Les mesures acoustiques ont été faites avec le système CLIO, qui comporte un logiciel et un dispositif à deux voies (générateur + acquisition de données). Ce dispositif permet à peu près tous les types de mesures pertinentes pour les enceintes acoustiques. Dans le cas présent, les mesures MLSSA sont effectuées, avec une porte de temps qui permet l'élimination des réflexions pouvant perturber les résultats.

RESULTATS:

 

 

Remarquons au passage la régularité de la courbe de réponse et la quasi exactitude de superposition des courbes des trois enceintes. La très légère accentuation de l'aigu vers 13 kHz est très amortie, et sera en pratique totalement absorbée par le tissu mural recouvrant les enceintes.
La fréquence de coupure à 1.3 kHz ne laisse apparaître aucune irrégularité, preuve de la mis en phase parfaite obtenue avec le filtre actif à pentes de Bessel du 4 e ordre.

 

 

La réponse temporelle (dite « impulsionnelle » ) des enceintes est elle aussi proche de l'idéal.
Une réflexion apparaît vers 11 millisecondes, (soit 8 ms après le premier front d'onde) ce qui était prévisible car l'équipement et l'ameublement de la pièce ne sont pas encore terminés. L'étude acoustique a prévu les éléments destinés à éliminer cette réflexion comme toutes celles inférieures à 15 ms.

 

Ci-dessus une courbe 3D dite « waterfall » qui montre la décroissance du niveau dans le temps en fonction de la fréquence. L'interprétation de cette courbe donne une idée de l'amortissement et du comportement transitoire de l'enceinte. Elle permet également de déceler d'éventuelles anomalies, ce qui n'est pas le cas ici.

2. Les enceintes Surround

Les critères de conception

Pour des raisons de cohérence purement esthétique, nous avons choisi de concevoir des enceintes surround « In-Wall », bien que dans l'application ce critère n'ait aucune importance en acoustique : Les réflexions proches sont inéluctables en raison de leur position à proximité des angles des murs et plafond. Par ailleurs, de telles réflexions, hautement indésirables pour des enceintes frontales, sont plutôt favorables à l'établissement d'un champ sonore diffus, ce qui est recherché pour les voies surround. Etant donné que 6 enceintes surround sont prévues, le concept de directivité dipolaire qui est destiné à simuler des enceintes multiples n'est pas nécessaire. La réponse en basses fréquences a été délibérément tronquée pour 2 raisons : Dans la très grande majorité des programmes, il n'y a quasiment aucune information de grave dans les canaux surround. Ceci provient du fait que les enceintes surround dans les cinémas ne sont pas non plus conçues pour reproduire les fréquences les plus basses, et les ingénieurs du son évitent donc de les solliciter dans ce sens. La proximité des angles de murs et plafond augmente les niveau de graves de façon très significative, et déséquilibre complètement la réponse d'une enceinte qui serait linéaire. Il faut donc que l'enceinte soit « pauvre » en graves pour compenser ce phénomène acoustique Réduire la réponse en graves permet de réduire la profondeur de l'enceinte à ce qui est physiquement acceptable pour une intégration « In-Wall ».

Les choix

Nous avons choisi un concept 2-voies unipolaire, en charge close. Le HP de graves est un 17 cm à saladier en fonte d'aluminium pour une bonne rigidité. La membrane est en polypropylène, et la décompression se fait par le noyau. La suspension est un demi-rouleau inversé en caoutchouc. La bobine mobile est d'un diamètre de 25,5mm, ce qui est suffisant pour une enceinte affectée aux voies surround (la dynamique et la puissance devant être acceptées sont moindres que dans le cas des enceintes d'écran). Ce haut-parleur nous est connu pour sa très grande neutralité, son excellent amortissement de la bande medium et la justesse des timbres qui en résulte.
La sensibilité de ce HP est de 90 dB /1W@im, ce qui est suffisant pour une enceinte surround. le tweeter est un modèle à dôme en soie de 1 " chargé par une amorce de pavillon. Son rendement « natif » est de 97 dB/1W@1m. Ceci permet de l'atténuer suffisamment pour lui procurer autant de supplément de réserve dynamique, ce qui est toujours bienvenu dans le cas des tweeters à dôme.

Le filtre passif série

L'utilisation de 6 enceintes en surround rendrait prohibitive toute bi-amplification, d'autant plus que le format sonore 6.1 adopté implique au moins 3 canaux d'amplificateurs à l'arrière, qui passeraient à 6 en bi-amplification !
Soucieux de rester dans un budget réaliste, nous avons donc adopté un filtrage passif. La topologie du filtre de cette enceinte est - tout de même- destinée à préserver la plus grande linéarité dynamique est le meilleur facteur d'amortissement. Ceci nous amène évidemment à un filtre de type « série », les filtres passifs « parallèle » étant interdits par notre religion…
(Pour les raisons suivantes : Désamortissement de la bobine mobile, chute du rendement, réponse impulsionnelle indigente)
La fréquence de coupure a été fixée à 3kHz avec des fonctions de 2 e ordre. La dimension des haut-parleur nous eût suggéré une fréquence de coupure ne dépassant pas 2638Hz, mais la réponse du tweeter étant trop faible à cette fréquence, nous avons dû la remonter. La directivité verticale n'est de toute façon pas vraiment un problème dans une utilisation surround, le champ sonore recherché étant diffus.

Mesures

RESULTATS

3.Le Subwoofer

Les critères de conception

En pratique, le subwoofer est double. Partant du principe bien connu de la marine à voile « trop fort n'a jamais manqué », nous avons opté pour deux 18" (46cm) normalement destinés à une utilisation en usage professionnel. L'amplification doit être suffisante pour l'application, et offrir 2 canaux séparés. Le traitement du signal doit permettre le filtrage actif (configurable), l'égalisation, l'introduction d'un retard pour le calage temporel. Il doit pouvoir être configuré en 2 canaux indépendants, ou en 1 entrée/2 sorties présentant le même signal. Le but est de pouvoir comparer l'utilisation des deux subs séparément :
Dans un cas, l'un est affecté uniquement au canal LFE et l'autre à l'extension des graves des canaux d'écran ;
Dans l'autre cas, les deux amplificateurs ( et HP) reçoivent le même signal mélangé LFE+ sub.
Evidemment, un filtre permettant ces fonctions est de type numérique.

Les choix
Il s'agit de haut-parleurs Beyma à saladier hyper-rigide, à bobine mobile de 100 mm bobinée sur chant pouvant accepter jusqu'à 1000 Watts chacun (tenue en puissance éprouvée par des utilisations en concerts, et pas seulement sur papier glacé).
La charge est de type Bass Reflex de 240 litres. Une simulation effectuée sur le logiciel BassBox Pro nous prédit une fréquence de coupure basse de 25 Hz et un niveau sonore disponible à 1m de 120 dB…Par HP.

 

 

 

 

Le filtre numérique
Nous avons sélectionné le module QSC DSP 3 pour son encombrement réduit, son prix très abordable et sa grande souplesse de configuration via un PC.

 

 

Les amplificateurs
Recherchant des amplificateurs de forte puissance pour un prix réaliste, nous avons renoncé aux produits normalement destinés au marché « consumer ». Nous nous sommes orientés vers des modules professionnels de type « tiroir », délivrant une puissance de 550 W sous 8 W et pouvant aller jusqu'à 1050 W sous 2 W .
Ces modules sont ventilés d'origine, mais sont fournis sans « carrosserie » ni aucune autre connectique que des plots à souder…

 

 

Il nous faut donc les intégrer dans un châssis de notre fabrication, avec, tant qu'à faire, le DSP3.

L'installation des enceintes

Les emplacements

Les enceintes gauche, centre et droite sont placées encastrées dans le mur devant recevoir l'écran, et derrière ce dernier. Décidant de privilégier l'application cinéma par rapport à l'application musicale, les enceintes gauche et droite sont espacées l'une de l'autre de 210 cm (entre axes), ce qui fait un encombrement total de 236 cm, adapté à un écran de 240cm.
L'enceinte centrale est exactement au milieu.
La hauteur des centres acoustiques des trois enceintes est de 115 cm, ce qui est proche de la hauteur d'oreille moyenne d'une personne assise (110cm) et permet un positionnement de l'écran satisfaisant. Les enceintes arrière sont placées à une hauteur de 2m, disposées de façon suivante :
2 Enceintes AR-G et AR-D environ 50 cm en avant de la zone d'écoute
2 Enceintes AR-G et AR-D environ 50 cm en arrière de la zone d'écoute
Ces couples d'enceintes sont en parallèle sur un canal d'amplificateur.
2 Enceintes AR-C espacées de 2m dans le diffracteur de shroeder.
Les subwoofers sont sous les enceintes d'écran, à environ 5 cm du sol, est espacés d'environ 2m.

Découpes du BA13/BA18
Les découpes du BA13 recevant les enceintes d'écran ont été désolidarisées des baffles par un joint caoutchouc séparant leur cornière de fixation du BA 13. Les baffles ont été fixés rigidement par l'arrière et couplés rigidement à la structure porteuse.
Les découpes devant les HP et évents de subs sont complètement isolées des enceintes subs qui reposent au sol via des patins résilients. Un joint en mousse a été prévu entre les faces avant des enceintes et le BA 13 pour éviter toute communication directe entre la pièce et le couloir technique.
Les surround G et D sont fixés directement à la double paroi BA13+BA18 qui se trouve à cet endroit, les surround centre étant vissés dans les panneaux verticaux du diffracteur de shroeder.

Connexions
Pour connecter les enceintes, nous avons choisi le standard professionnel Speakon. Il présente les avantages suivants :

Fiabilité des contacts Fiabilité mécanique Conformité aux normes Européennes de sécurité (Ce qui n'est pas le cas de nombreux borniers souvent utilisés) Simplicité et rapidité de connexion/déconnexion

Les prises et embases Speakon existant en 2, 4 et 8 contacts, leur utilisation pour la bi-amplification ne pose aucun problème.

CE QU'IL RESTE A FAIRE
Les enceintes réalisées et installées, il nous reste d'abord à les raccorder et les tester pour vérification de conformité du câblage.
Ensuite, nous devons raccorder le projecteur et les sources.
Enfin, et ce travail n'est pas le plus mince, finir la décoration de la pièce.

Lire aussi :
-Un Home Theater de A à Z PRO Partie 1
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