Bien que la conception et la fabrication des haut-parleurs aient connu des avancées significatives, les principes fondamentaux de la technologie des haut-parleurs n’ont pas changé depuis près de 100 ans : Le haut-parleur dynamique de 1925 d’Edward Kellogg et Chester Rice est toujours la base de pratiquement tous les haut-parleurs sur le marché aujourd’hui, de celui de votre téléphone à ceux de votre système de cinéma maison.
Mais comment fonctionnent les haut-parleurs ? Commençons par les bases.
Note de la rédaction : cet article a été mis à jour le 12 mars 2021 pour inclure plus d’informations techniques.
Comment fonctionnent les haut-parleurs : les bases
Un haut-parleur est le composant électroacoustique brut qui fait fonctionner un haut-parleur. En tant que transducteur, sa fonction est de transformer l’énergie d’une forme à une autre. Plus précisément, ce transducteur transforme les ondes électriques amplifiées de votre appareil de lecture, qu’il s’agisse de votre téléphone ou de la cartouche de votre platine, en ondes de pression sonore dans l’air pour que vos oreilles les détectent.
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Le haut-parleur : un moteur électromagnétique simple mais génial
Un amplificateur envoie un signal à deux bornes situées à l’arrière d’un haut-parleur. Ces bornes font passer le courant dans une bobine cylindrique de fil, qui est suspendue dans l’espace circulaire entre les pôles d’un aimant permanent. Cette bobine se déplace d’avant en arrière à l’intérieur du champ magnétique, car le courant qui la traverse alterne en fonction du signal appliqué, selon la loi de Faraday. Le centre du cône du haut-parleur est fixé à une extrémité, qui est entraînée d’avant en arrière par la bobine mobile. Ce cône est maintenu sur ses bords par une suspension ou une enveloppe étanche à l’air. Lorsque le cône se déplace, il pousse et tire l’air environnant ; ce faisant, il crée des ondes de pression dans l’air, appelées son.
Voilà donc comment fonctionne le haut-parleur, mais pourquoi semblent-ils toujours être montés dans des boîtes ? Si le driver fait du son par lui-même, à quoi sert la boîte ? Et qu’en est-il des trous d’orifices et de ces autres pièces ?
Pourquoi les enceintes sont-elles placées dans des boîtes ?
Chaque enceinte de bibliothèque Fluance Ai40 comporte un tweeter 1″ et un haut-parleur 5″.
Lorsque le cône d’un haut-parleur se déplace, il crée une onde de pression à l’avant et à l’arrière. Lorsqu’il se déplace vers vous, poussant l’air et créant une pression positive, il tire simultanément l’air derrière lui, créant une pression négative. Si la longueur d’onde qui correspond à la fréquence du signal reproduit est grande par rapport à la taille du haut-parleur, la pression générée par les deux côtés du haut-parleur s’annulera effectivement. Ainsi, à toute distance utile, les basses fréquences (graves) sont rendues inaudibles. Si vous voulez essayer chez vous, retirez un haut-parleur de son boîtier. Vous remarquerez une qualité sonore « étriquée » par rapport à la façon dont l’enceinte sonnait lorsqu’elle était assemblée.
Pour qu’une enceinte fonctionne bien à toutes les fréquences, nous devons empêcher l’onde de pression créée par l’arrière du cône de l’enceinte d’annuler l’onde créée par l’avant du cône. Si vous montez le haut-parleur dans une grande feuille de matériau rigide (un baffle), vous pouvez obtenir le même effet. Un baffle doit être grand pour empêcher l’annulation des basses fréquences, ce qui n’est pas pratique dans la plupart des applications. Les boîtes fermées permettent une façon plus pratique de le faire.
Les boîtes de haut-parleurs ne sont pas toutes en forme de boîte…
Une combinaison des propriétés mécaniques du haut-parleur et de la taille de la boîte définit le comportement en basse fréquence d’un système de haut-parleurs à boîte fermée assemblé. Sans entrer dans des considérations super techniques, l’air dans la boîte agit comme un ressort contre lequel le cône pousse et tire, et ce système a une fréquence de résonance en dessous de laquelle son rendement diminue considérablement.
Les haut-parleurs doivent être étanches à l’air : les fuites dans la boîte permettent l’annulation que nous voulons éviter.
Pourquoi certains haut-parleurs ont-ils des trous dedans ?
Vous avez peut-être remarqué que beaucoup de boîtes de haut-parleurs ont des trous circulaires, ou parfois des fentes, généralement à l’avant ou à l’arrière. Ce que vous voyez sont des ports, ou des évents, et cela identifie ce que l’on appelle une enceinte bass reflex.
Une enceinte bass reflex fonctionne essentiellement de la même manière que lorsque vous soufflez de l’air sur une bouteille de bière ouverte et qu’une note retentit. La note change avec la quantité de liquide dans la bouteille parce que le volume d’air à l’intérieur de la bouteille change. Si vous pouviez étirer le goulot en verre de la bouteille, cela modifierait également la note. C’est un système résonnant qui peut être réglé en ajustant les dimensions de l’orifice (le goulot de la bouteille) ou le volume de l’enceinte (la bouteille).
Ce haut-parleur bass reflex a un orifice de basse à tir arrière.
S’il est réglé correctement, ce que cela fait est de créer une résonance juste en dessous du point auquel la réponse du haut-parleur se réduirait normalement, étendant efficacement la performance de basse du système. Pour que cela fonctionne correctement, le réglage du port est calculé pour le haut-parleur spécifique dans l’enceinte spécifique. Si vous échangez le haut-parleur pour un type différent, même si le diamètre du cône est le même, le réglage de l’enceinte et de l’évent ne sera plus approprié et le son ne sera pas bon.
Les haut-parleurs qui utilisent des radiateurs passifs fonctionnent sur le même principe de base mais avec un cône de haut-parleur chargé en masse et non alimenté qui crée la résonance des basses avec le volume d’air enfermé.
Tweeters et woofers
Maintenant, vous avez peut-être remarqué que dans la plupart des haut-parleurs, en particulier lorsqu’ils deviennent plus grands que les petites boom box portables, vous pouvez voir plus d’un haut-parleur – généralement un plus petit diamètre au-dessus d’un plus grand.
Ces enceintes ont deux tailles de haut-parleurs : des tweeters au-dessus et des woofers en dessous
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les enceintes utilisent plusieurs haut-parleurs de différentes tailles. S’il est vrai qu’un seul haut-parleur peut couvrir à lui seul la quasi-totalité du spectre audible, il se heurte à un certain nombre de limites. Si le haut-parleur est petit, il ne peut pas déplacer beaucoup d’air et aura du mal à générer des basses à un niveau utile.
En savoir plus : Les types de haut-parleurs expliqués
Des haut-parleurs plus grands peuvent déplacer plus d’air, mais le problème est que les enceintes deviennent plus directionnelles à mesure que les fréquences qu’elles reproduisent augmentent. Ce phénomène est connu sous le nom de rayonnement.
Lorsque la fréquence augmente, la longueur d’onde associée diminue ; les haut-parleurs commencent généralement à rayonner à une fréquence dont la longueur d’onde est égale au diamètre du cône rayonnant. Cela signifie que vous n’entendrez les hautes fréquences que si vous vous trouvez dans l’axe du haut-parleur. Cela ne permet pas d’obtenir un son équilibré ou une bonne enceinte. La solution simple consiste à utiliser des haut-parleurs de différentes tailles, chacun étant adapté à la reproduction d’une gamme spécifique de fréquences – différentes parties du spectre audible (basses et aigus, ou basses, médiums, aigus).
Woofers et tweeters et ports, oh my!
Ce concept fonctionne en tandem avec un réseau de division de fréquence dans la boîte de l’enceinte, appelé un crossover. Un crossover délègue la bonne gamme de fréquences à chaque type de haut-parleur : les tweeters pour les aigus et les woofers pour les graves.
Pourquoi cela vaut la peine de savoir comment fonctionnent les enceintes
Vous n’avez pas besoin de connaître la science derrière les enceintes pour pouvoir les écouter et les apprécier. Mais si vous avez l’intention de dépenser beaucoup d’argent dans du matériel audio, il est toujours bon de s’équiper d’abord de quelques connaissances. Un peu de connaissances de base vous aidera à comprendre pourquoi certaines décisions de conception ont été prises, comment elles influencent le son, et à vous aider à identifier les vendeurs d’huile de serpent.