Haut-parleur de graves

Un woofer ou haut-parleur de graves est un terme technique désignant un haut -parleur conçu pour produire des sons de basse fréquence , généralement de 20 Hz à quelques centaines de Hz. Le nom vient du mot anglais onomatopéique désignant l'aboiement profond d'un chien, « woof » (contrairement à un tweeter , nom utilisé pour les haut-parleurs conçus pour reproduire des sons à haute fréquence, dérivés des cris stridents des oiseaux, « tweets »). La conception la plus courante pour un woofer est le haut-parleur électrodynamique , qui utilise généralement un cône en papier rigide , entraîné par une bobine acoustique entourée d'un champ magnétique .

La bobine acoustique est fixée par des adhésifs à l'arrière du cône du haut-parleur. La bobine acoustique et l' aimant forment un moteur électrique linéaire . Lorsque le courant traverse la bobine acoustique, celle-ci se déplace par rapport au cadre selon la règle de la main gauche de Fleming pour les moteurs , ce qui fait que la bobine pousse ou tire sur le cône du haut-parleur à la manière d'un piston. Le mouvement résultant du cône crée des ondes sonores lorsqu'il entre et sort.

À des niveaux de pression acoustique (SPL) ordinaires, la plupart des humains peuvent entendre jusqu'à environ 20 Hz. Les woofers sont généralement utilisés pour couvrir les octaves les plus basses de la gamme de fréquences d'un haut-parleur. Dans les systèmes de haut-parleurs à deux voies, les haut-parleurs qui gèrent les fréquences les plus basses doivent également couvrir une partie substantielle de la gamme moyenne, souvent aussi haute que 800 à 1000 Hz ; ces haut-parleurs sont communément appelés woofers médiums . Depuis les années 1990, un type de woofer conçu pour les très basses fréquences uniquement, le subwoofer , est couramment utilisé dans les systèmes de cinéma maison et les systèmes de sonorisation pour augmenter la réponse des basses ; les subwoofers gèrent généralement les deux ou trois octaves les plus basses (c'est-à-dire de 20 à 80 ou 120 Hz).

Une bonne conception d'un woofer nécessite de convertir efficacement un signal d'amplificateur basse fréquence en mouvement d'air mécanique avec une grande fidélité et une efficacité acceptable, et est à la fois facilitée et compliquée par la nécessité d'utiliser un boîtier de haut-parleur pour coupler le mouvement du cône à l'air. Si elle est bien réalisée, de nombreux autres problèmes de conception d'un woofer (par exemple, les exigences d'excursion linéaire) sont réduits.

Dans la plupart des cas, le woofer et son caisson doivent être conçus pour fonctionner ensemble. En général, le caisson est conçu pour s'adapter aux caractéristiques du ou des haut-parleurs utilisés. La taille du caisson est fonction des longueurs d'onde les plus longues (fréquences les plus basses) à reproduire, et le caisson du woofer est beaucoup plus grand que nécessaire pour les fréquences moyennes et élevées .

Un réseau de croisement , passif ou actif, filtre la bande de fréquences à traiter par le woofer et les autres haut-parleurs. Normalement, le système de croisement et de haut-parleurs, y compris le woofer, est censé convertir le signal électrique fourni par l'amplificateur en un signal acoustique de forme d'onde identique sans autre interaction entre l'amplificateur et les haut-parleurs, bien que parfois l'amplificateur et les haut-parleurs soient conçus ensemble, les haut-parleurs fournissant une rétroaction négative de correction de distorsion à l'amplificateur.

La conception et la fabrication d'un woofer présentent de nombreux défis. La plupart d'entre eux concernent le contrôle du mouvement du cône afin que le signal électrique envoyé à la bobine acoustique du woofer soit fidèlement reproduit par les ondes sonores produites par le mouvement du cône. Les problèmes incluent l'amortissement net du cône sans distorsion audible afin qu'il ne continue pas à bouger, provoquant une sonnerie lorsque le signal d'entrée instantané tombe à zéro à chaque cycle, et la gestion de grandes excursions (généralement nécessaires pour reproduire des sons forts) avec une faible distorsion. Il existe également des défis pour présenter à l'amplificateur une impédance électrique qui n'est pas trop éloignée de la constante à toutes les fréquences.

Une première version du modèle de caisson bass-reflex, désormais largement utilisé, a été brevetée par Albert L. Thuras des Bell Laboratories en 1932.

En 1965, Sennheiser Electronics a présenté le système audio Philharmonic, qui utilisait l'électronique pour surmonter certains des problèmes rencontrés par les sous-systèmes de woofer ordinaires. Ils ont ajouté un capteur de mouvement au woofer et utilisé le signal correspondant à son mouvement réel pour le rétroaction comme entrée de commande vers un amplificateur spécialement conçu. Si cela est fait avec soin, cela peut améliorer considérablement les performances (à la fois en termes de « fermeté » et d'extension des performances en basse fréquence) au détriment de la flexibilité (l'amplificateur et le haut-parleur sont liés en permanence) et du coût. Aux États-Unis, LW Erath, un ingénieur de l'industrie pétrolière, a lancé une gamme de haut-parleurs haut de gamme dans le même esprit.

Les coûts de l'électronique ayant diminué, il est devenu courant d'avoir des woofers équipés de capteurs dans des « systèmes musicaux » bon marché, des enceintes radio ou même des systèmes audio de voiture. Cela est généralement fait dans le but d'obtenir de meilleures performances à partir de haut-parleurs peu coûteux ou sous-dimensionnés dans des boîtiers légers ou mal conçus. Cette approche présente des difficultés car toutes les distorsions ne peuvent pas être éliminées à l'aide de techniques d'asservissement , et un boîtier mal conçu peut annuler les avantages de toute tentative de correction électronique.

Étant donné que les caractéristiques d’un haut-parleur peuvent être mesurées et, dans une large mesure, prédites, il est possible de concevoir des circuits spéciaux qui compensent quelque peu les déficiences d’un système de haut-parleurs.

Les techniques d'égalisation sont utilisées dans la plupart des applications de sonorisation et de sonorisation . Dans ce cas, le problème n'est pas tant la reproduction hi-fi que la gestion de l'environnement acoustique. Dans ce cas, l'égalisation doit être adaptée individuellement aux caractéristiques particulières des systèmes de haut-parleurs utilisés et de la pièce dans laquelle ils sont utilisés.

Les techniques informatiques, en particulier le traitement numérique du signal (DSP), permettent d'obtenir un crossover de plus grande précision. En utilisant la réponse impulsionnelle finie (FIR) et d'autres techniques numériques, les crossovers d'un système bi-amplifié ou tri-amplifié peuvent être réalisés avec une précision impossible à obtenir avec des filtres analogiques, qu'ils soient passifs ou actifs. De plus, de nombreuses particularités des haut-parleurs (y compris les variations individuelles) peuvent être corrigées en même temps, comme dans les conceptions récentes de Klein et Hummel. Cette approche est complexe et donc peu susceptible d'être utilisée dans des équipements à faible coût.

Tous les matériaux de cône présentent des avantages et des inconvénients. Les trois principales propriétés recherchées par les concepteurs dans les cônes sont la légèreté, la rigidité et l'absence de coloration (en raison de l'absence de sonnerie ). Les matériaux exotiques comme le Kevlar et le magnésium sont légers et rigides, mais peuvent présenter des problèmes de sonnerie, en fonction de leur fabrication et de leur conception. Des matériaux comme le papier (y compris les cônes en papier couché) et divers polymères produisent généralement moins de sonnerie que les diaphragmes métalliques, mais peuvent être plus lourds et moins rigides. Il existe de bons et de mauvais woofers fabriqués avec chaque type de matériau de cône. Presque tous les types de matériaux ont été utilisés pour les cônes, de la fibre de verre, de la fibre de bambou, aux sandwichs en nid d'abeille en aluminium expansé et aux cônes en plastique chargés de mica .

Le cadre, ou panier, est la structure qui maintient le cône, la bobine acoustique et l'aimant dans le bon alignement. Comme l'espace entre la bobine acoustique est assez étroit (les jeux sont généralement de l'ordre de quelques millièmes de pouce), la rigidité est importante pour éviter le frottement de la bobine acoustique contre la structure de l'aimant dans l'espace et également pour éviter les mouvements parasites. Il existe deux principaux types de cadres métalliques, estampés et moulés. Les paniers estampés (généralement en acier) sont une approche moins coûteuse. L'inconvénient de ce type de cadre est que le panier peut fléchir si le haut-parleur est alimenté à des volumes élevés, la résistance à la flexion n'étant présente que dans certaines directions. Les paniers moulés sont plus chers, mais sont généralement plus rigides dans toutes les directions, ont un meilleur amortissement (réduisant leur propre résonance), peuvent avoir des formes plus complexes et sont donc généralement préférés pour les haut-parleurs de meilleure qualité.

Une caractéristique importante du woofer est sa puissance nominale, la quantité de puissance que le woofer peut supporter sans dommage. La puissance électrique nominale n'est pas facile à caractériser et de nombreux fabricants citent des valeurs de pointe atteignables uniquement pendant de très brefs moments sans dommage. Les puissances nominales du woofer deviennent importantes lorsque le haut-parleur est poussé à l'extrême : applications nécessitant un rendement élevé, conditions de surcharge de l'amplificateur, signaux inhabituels (c'est-à-dire non musicaux), très basses fréquences auxquelles le boîtier fournit peu ou pas de charge acoustique (et donc il y aura une excursion maximale du cône), ou panne de l'amplificateur. Dans les situations de volume élevé, la bobine acoustique d'un woofer chauffe, augmente sa résistance, provoquant une « compression de puissance », une condition dans laquelle le niveau de puissance sonore de sortie diminue après une activité prolongée à haute puissance. Un échauffement supplémentaire peut déformer physiquement la bobine acoustique, provoquant des éraflures, des courts-circuits dus à la détérioration de l'isolation du fil, ou d'autres dommages électriques ou mécaniques. Une énergie d'impulsion soudaine peut faire fondre une section du fil de la bobine acoustique, provoquant un circuit ouvert et un woofer mort ; le niveau nécessaire varie en fonction des caractéristiques du haut-parleur. Dans les applications musicales à niveau d'écoute normal, la puissance électrique nominale des woofers est généralement sans importance ; cela reste important pour les pilotes à fréquence plus élevée.

Il existe trois types de gestion de la puissance dans les haut-parleurs, y compris les woofers : thermique (chaleur), électrique (les deux abordées ci-dessus) et mécanique. La limite de gestion de la puissance mécanique est atteinte lorsque l'excursion du cône s'étend jusqu'à sa limite maximale. Les limites de gestion de la puissance thermique peuvent être atteintes lorsque des niveaux de puissance assez élevés sont appliqués à un woofer pendant trop longtemps, même s'ils ne dépassent à aucun moment les limites mécaniques. La majeure partie de l'énergie appliquée à la bobine acoustique est convertie en chaleur, pas en son ; toute la chaleur est finalement transmise à la pièce polaire, au reste de la structure magnétique et au cadre. À partir de la structure du woofer, la chaleur est finalement dissipée dans l'air ambiant. Certains haut-parleurs incluent des dispositions pour un meilleur refroidissement (par exemple, des pièces polaires magnétiques ventilées, des structures de conduction thermique dédiées) afin de réduire l'augmentation des températures bobine/aimant/cadre pendant le fonctionnement, en particulier dans des conditions de niveau de puissance élevé. Si trop de puissance est appliquée à la bobine acoustique par rapport à sa capacité à évacuer la chaleur, elle finira par dépasser une température maximale de sécurité. Les adhésifs peuvent fondre, le support de la bobine acoustique peut fondre ou se déformer, ou l'isolation séparant les enroulements de la bobine acoustique peut tomber en panne. Chacun de ces événements endommagera le woofer, peut-être au-delà de sa capacité d'utilisation.

Les woofers conçus pour les systèmes de sonorisation (PA) et les amplificateurs d'instruments sont similaires aux woofers audio domestiques, sauf qu'ils sont généralement conçus de manière plus robuste. En règle générale, les différences de conception comprennent : des caissons conçus pour des expéditions et des manutentions répétées, des cônes de woofer plus grands pour permettre des niveaux de pression acoustique plus élevés, des bobines acoustiques plus robustes pour supporter une puissance plus élevée et une rigidité de suspension plus élevée. En général, on peut s'attendre à ce qu'un woofer domestique utilisé dans une application PA/instrument tombe en panne plus rapidement qu'un woofer PA/instrument. En revanche, un woofer PA/instrument dans une application audio domestique n'aura pas la même qualité de performance, en particulier à faible volume. Un woofer PA ne produira pas la même haute fidélité audible, ce qui est l'objectif d'un son domestique de haute qualité en raison de ces différences.

Les woofers des systèmes de sonorisation ont généralement un rendement élevé et une capacité de traitement de puissance élevée. Le compromis entre un rendement élevé et un coût raisonnable est généralement une capacité d'excursion relativement faible (c'est-à-dire l'incapacité de se déplacer « vers l'intérieur et vers l'extérieur » aussi loin que le font de nombreux woofers domestiques), car ils sont destinés aux enceintes à pavillon ou aux enceintes reflex de grande taille. Ils sont également généralement mal adaptés à une réponse étendue des basses fréquences, car la dernière octave de réponse en basse fréquence augmente considérablement la taille et le coût, et il est de plus en plus peu rentable de tenter de les utiliser à des niveaux élevés comme dans une application de sonorisation. Un woofer stéréo domestique, parce qu'il est utilisé à des volumes relativement faibles, peut être capable de gérer des fréquences très basses. Pour cette raison, la plupart des woofers de sonorisation ne sont pas bien adaptés à une utilisation dans des applications domestiques haute fidélité de haute qualité, et vice versa.

À des niveaux de pression acoustique ordinaires , la plupart des humains peuvent entendre jusqu'à environ 20 Hz. Pour reproduire avec précision les sons les plus graves, un woofer, ou un groupe de woofers, doit déplacer un volume d'air suffisamment important, une tâche qui devient plus difficile à des fréquences plus basses. Plus la pièce est grande, plus le mouvement du woofer devra déplacer d'air pour produire la puissance sonore requise à basses fréquences.