Electronique > Théorie > Filtres passifs pour HP
Dernière mise à jour : 05/01/2023Avertissement
Je ne suis pas spécialiste des haut-parleurs et des filtres passifs qu'on peut leur associer, mais j'en connais tout de même les grandes lignes.
Du fait de ma faible expérience dans le domaine des haut-parleurs, il se peut que le texte qui suit comporte des erreurs ou manques de précision. Je vous remercie donc par avance de me tenir informé si vous jugez que telle ou telle partie nécessite des retouches. Le peu que j'inscris ici est à destination du débutant et j'ai l'intime conviction que cela constitue tout de même une bonne base.
Pourquoi écrire sur un sujet que je ne maîtrise pas parfaitement ? Parce que l'on me pose souvent des questions sur les filtres passifs pour haut-parleurs, tout simplement. Et comme j'ai dans mon stock de documentations écrites pas mal de choses à ce sujet, j'ai cru bon d'en faire une sorte de petit résumé. Après avoir décrit sommairement en quoi un filtre passif peut apporter quelque chose de bon à un système de reproduction sonore multi-voies, je donne quelques valeurs pratiques utilisées dans des réalisations commerciales (enceintes en kit et déjà montées) et rendues publiques par leurs concepteurs (je suis en règle avec les droits d'auteur). Vous avez même droit à des schémas pour lesquels aucune valeur de composant n'était spécifiée, que j'ai décidé de montrer tout de même, à titre d'information et pour montrer à combien de structures différentes on pouvait avoir à faire.
Un site plus spécialisé : celui de Dominique Petoin.
Présentation
La reproduction de l'ensemble des sons graves et aigus d'une source sonore peut être assurée par un seul haut-parleur, que l'on peut dénommer pour l'occasion haut-parleur à large bande.
Malgré cette appellation de "large bande", le haut-parleur a plus ou moins d'aisance pour reproduire l'ensemble du spectre sonore, mais on peut dire qu'en règle générale la facilité de reproduction de certaines fréquences est plus ou moins étroitement liée au diamètre de la membrane du transducteur (le haut-parleur est appelé transducteur, car il permet de transformer une énergie électrique en une énergie acoustique). Si la membrane est de petites dimensions, la reproduction des fréquences basses (graves) est moins efficace. Si la membrane est grande, la reproduction des graves est facilitée mais peut perturber la reproduction des fréquences aigues.
HP large bande : pas suffisant
Il est donc tout naturel qu'un jour soit apparue l'envie de connecter deux haut-parleurs distincts en parallèle, un pour reproduire les sons graves et l'autre pour reproduire les sons aigus.
Le fait de brancher directement en parallèle deux haut-parleurs de natures différentes a certes modifié la perception des sons, mais ce n'était pas suffisant, car les deux haut-parleurs recevaient toujours des sons non adaptés à leurs capacités de reproduction, et cela pouvait produire des défauts sonores audibles ou des accidents prononcés dans la bande passante, en particulier liés à la non mise en phase des deux haut-parleurs diffusant des ondes sonores identiques à quelques centimètres d'écart, occasionnant des "troux" et/ou des "bosses" dans le spectre sonore global... Dans les enceintes bas de gamme (ou même moyenne gamme), on trouvait cependant de telles associations, les constructeurs misant sur le fait que les HP limitaient naturellement les fréquences à ne pas reproduire et composaient donc d'eux-même des "filtres intégrés". L'idée de supprimer (ou d'atténuer fortement) les fréquences graves avant d'envoyer le signal sonore au haut-parleur des aigus (tweeter) est tout de même apparue comme une solution minimale et évidente aux problèmes les plus importants. C'est ce que permet le schéma suivant, qui ne représente que la partie chargée de la diffusion des aigus.
Le condensateur C, monté en série avec le haut-parleur, constitue avec ce dernier un filtre passe-haut simple. Un filtre passe-haut est juste un filtre qui laisse passer les fréquences hautes et atténue les fréquences basses. La frontière entre fréquences hautes et fréquences basses est définie par la valeur du condensateur et les caractéristiques propres du haut-parleur, ce dernier pouvant être assimilé comme étant une association d'une self avec une résistance. Le choix de la valeur du consensateur est donc directement lié au choix du haut-parleur.
Association HP graves avec HP aigus
Une première association possible consiste donc à mettre en parallèle le haut-parleur de grave avec le haut-parleur des aigus équipé de son filtre. Ce type de montage est encore en vigueur dans bon nombre de réalisations commerciales "légères", et est représenté ci après.
L'idée générale est de considérer que le haut-parleur des graves va atténuer progressivement de lui-même les aigus, et comme l'énergie électrique que l'on trouve dans la zone des fréquences aigus est généralement plus faible que celle que l'on trouve dans la zone des fréquences graves, on la considère comme "pas trop gênante" et ne nécessitant pas de filtrage additionnel. Par contre, le haut-parleur des aigus ne peut prétendre à un tel traitement, et on ne lui fournit que ce avec quoi il est capable de travailler. Le signal électrique provenant de l'amplificateur audio de puissance arrive donc intact (non filtré) sur le haut-parleur des graves, alors qu'il subit une atténuation importante dans les graves avant d'être transmis au haut-parleur des aigus. Un seul composant passif a été ajouté - un condensateur en série avec le haut-parleur des aigus, et celà améliore déjà bien les choses. On peut donc penser qu'il s'agit d'une bonne base.
Filtrage sur HP des graves
Si le montage précédent peut se concevoir pour certains ensembles grand-public, il faut reconnaitre qu'il est améliorable. Le fait de ne filtrer que les graves pour le haut-parleur des aigus fait tiquer certains (on le comprend bien), et il n'y a pas de raison après tout (autre que le coût de revient), de ne pas filtrer les aigus pour le haut-parleur de grave. Nous trouvons donc maintenant un nouveau schéma, qui incorpore un nouvel élement passif dans le système de reproduction sonore : une self montée en série avec le haut-parleur des graves.
La self L, montée en série avec le haut-parleur, constitue avec ce dernier un filtre passe-bas simple. Un filtre passe-bast est juste un filtre qui laisse passer les fréquences basses et bloque les fréquences hautes. La frontière entre fréquences basses et fréquences hautes est définie par la valeur de la self et les caractéristiques propres du haut-parleur. Le choix de la self est donc là aussi directement conditionné par le choix du haut-parleur.
Association HP graves avec HP aigus - Bis
Reprenons notre association de tout à l'heure, mais cette fois en ajoutant la self au haut-parleur des graves. Cela nous donne le schéma suivant.
C'est déjà un peu mieux, et certaines réalisations commerciales se contentent de ce principe fort simple et surtout fort économique.
Filtrage sur HP des médiums
L'utilisation d'un système de reproduction sonore ne possédant qu'un seul haut-parleur "large bande" est appelé système monovoie. Si on utilise un haut-parleur pour les graves et un haut-parleur pour les aigus, nous sommes alors en présence d'un système multivoies, et plus précisement d'un système à deux voies (une voie graves + une voie aigus).
Si maintenant nous estimons qu'une séparation plus drastique du spectre sonore doit être entreprise, rien n'interdit d'ajouter un troisième haut-parleur dont la tache est de n'amplifier que les fréquences médium. Dans ce cas, le système devient un système à trois voies (une voie graves + une voie médium + une voie aigus). Et comme pour les haut-parleurs de graves et d'aigus, il est judicieux de ne pas fournir au haut-parleur des médium, des signaux électriques dont la fréquence n'entre pas dans sa plage de fonctionnement. Là aussi, un filtrage est donc nécessaire. Mais avec une différence de taille : on doit filtrer les graves ET en même temps les aigus. Un simple filtre passe-haut (condensateur en série avec le HP) ou un simple filtre passe-bas (self en série avec le HP) ne suffit donc pas. Heureusement, il est possible de combiner plusieurs composants électroniques pour assurer un filtrage "bilatéral", c'est ce que montre le schéma qui suit.
Avec un tel système, les signaux électriques de fréquences basses et aigues sont atténuées et les signaux de fréquences "centrales" (médium) restent quasiment intacts. Comme pour les filtres sommaires précédement cités, les fréquences de coupure haute et basse du filtre médium sont définies par les valeurs données aux composants employés, qui elles-mêmes doivent être calculées en tenant compte de caractéristiques du haut-parleur médium utilisé.
3 voies mieux que 2 voies ?
Comme je le disais en préambule, je ne me suis jamais beaucoup impliqué dans la réalisation de filtres audio passifs pour haut-parleurs. Mais je me souviens d'une époque où le débat était ouvert (est-il seulement fermé ?), et où certains affirmaient que troies voies étaient mieux car on obtenait une meilleur restitution sonore avec des haut-parleurs à bande plus étroites, là où d'autres criaient au loup tant la bande passante et les phases étaient chahutées, surtout autour des points de coupure des filtres, qui n'étaient pas forcement bien "accordés" aux types de haut-parleurs employés. Je n'ai ni l'envie ni la compétence pour m'exprimer sur ce point, aussi je laisse aux spécialistes le soin de le faire. Qu'ils répondent qu'il existe des bons et mauvais systèmes à deux voies, tout comme il existe des bons et mauvais systèmes à trois voies, ne me surprendrait pas trop...
Association des HP et des filtres
Dans les schémas précédents, nous avons vu les haut-parleurs seuls, avec ou sans filtre, et nous avons aussi vu comment associer un haut-parleur de graves avec un haut-parleur d'aigus. Dans la pratique, nous rencontrons souvent de telles associations qui constituent au final un montage unique, intégré dans une seule enceinte, pour les systèmes à deux voies ou à trois voies. Le schéma suivant montre un exemple complet, associant trois haut-parleurs avec leur filtre respectif.
Signalons tout de suite qu'il existe d'autres façons de dessiner le schéma électrique de l'ensemble précédent, qui montre exactement la même chose, mais sous un autre angle.
Vous pouvez suivre les fils, les deux schémas sont bien identiques. A chacun sa façon de faire, le principal étant de pouvoir distinguer de façon claire les sous-ensembles. Par la suite, je représenterai d'autres schémas selon les deux méthodes, pour que vous vous habituiez avec les deux représentations. Vous verrez, on s'y fait vite ;-)
Donc les filtres passifs, c'est super !
Les filtres passifs apportent de façon indicutable un plus, en ce qui concerne la répartition des signaux électriques sur les différents haut-parleurs, leur permettant ainsi de travailler de façon optimale. Mais ils présentent tout de même quelques inconvénients, le principal étant une perte d'énergie assez conséquente, se concrétisant par un rendement moindre. En d'autre termes, l'amplificateur qui attaque des haut-parleurs associés à des filtres, doit délivrer une puissance plus importante que celle qu'on lui aurait demandé pour attaquer des haut-parleurs sans filtre.
Réaction d'Hubert
Dans l'absolu, rien à redire...Toutefois, dans la pratique, cette affirmation est fausse, ou à tout le moins incomplète; ceci parce que le rôle d'un filtre, passif ou actif, n'a pas pour fonction unique la transition fréquentielle mais également ce qu'on appelle la compensation de "l'effet de baffle"; en effet, sauf à greffer le woofer dans une charge infinie, la perte de charge acoustique de 6 dB dans les fréquences basses due au manque de bafflage doit être obligatoirement compensée. Vous remarquerez d'ailleurs que les HP large-bande utilisés sans filtre ou avec circuit-bouchon "léger", font souvent appel à des charges rehaussant le niveau de grave (pavillons, lignes de transmission d'évasant progressivement etc...). En conséquence, une telle affirmation est infondée à charges acoustiques identiques, les pertes d'insertion étant minimes dans les filtres passifs utilisant des composants modernes (on trouve facilement des selfs à faible DCR peu chères).Merci Hubert pour ces précisions ;)
Autre point d'importance : les puissances mises en jeu peuvent être élevées, et les courants électriques qui circulent dans les haut-parleurs et dans les filtres peuvent être très importants. Il est donc hors de question d'utiliser des petites composants tels que ceux que l'on a l'habitude d'utiliser pour les réalisations électroniques traditionnelles. Il faut recourir à des composants plus gros et supportant les forts courants, et dans ce domaine, le porte-monnaie commence à grincer des dents, surtout si l'on opte pour des composants de bonne qualité. Autre aspect : celui des phases. Un filtre apporte un déphasage en fonction de la fréquence du signal qui le parcourt, et ce déphasage doit forcement être pris en compte dans les calculs, si l'on veut une réponse sonore la plus fidèle possible au signal sonore d'origine. Pour construire un filtre passif, il faut donc avoir une bonne notion de l'ensemble de ces paramètres, afin de déterminer la bonne valeur des composants du ou des filtres, et voir si les problèmes de phase peuvent être compensés simplement par décalage physique d'un haut-parleur par rapport à un autre dans son enceinte.
Comparaison avec les filtres actifs ?
Celà est un autre sujet, qui sort du cadre de cet article. Mais pour faire rapide, le filtrage actif permet de fournir aux haut-parleurs, des signaux électriques déjà débarrassés des composantes fréquentielles gênantes. Ainsi, un haut-parleur de graves est directement branché à la sortie d'un amplificateur ne délivrant aucun signal de fréquence élevée. Le filtrage est effectué AVANT l'amplification de puissance. De même, un haut-parleur d'aigus est directement branché à la sortie d'un amplificateur ne délivrant aucun signal de fréquence basse, le filtrage étant là aussi assuré avant amplification de puissance. Nous n'avons donc plus de filtre passif encombrant et cher, mais nous avons en contrepartie deux amplificateurs de puissance au lieu d'un seul. Un filtre actif présente l'avantage de pouvoir être plus facilement modifié pour changer sa ou ses fréquences de coupure, et peut donc plus facilement être adapté à différents types de haut-parleurs, ce qui n'est pas le cas avec les filtres passifs. On trouve dans le commerce des filtres numériques programmables, simples d'usage et très efficaces, dans lesquels il est possible de spécifier les facteurs d'atténuation, les fréquences de coupure, les pentes, et même les retards temporels, pour permettre une adaptation à une grande quantité de configurations différentes.
Différents schémas pratiques
Il n'existe pas une façon de faire les filtres, mais plusieurs façons. Les schémas présentés ci-avant sont simples et présentent des pentes d'atténuation pas vraiment "raides", qui font que l'atténuation des fréquences graves ou aigues se fait de façon très progressive. Pour fixer l'ordre de grandeur, on peut dire qu'une fois atteinte la fréquence de coupure du haut-parleur, le signal électrique est atténué d'un facteur deux à chaque fois que la fréquence du signal est doublée. Les schémas qui suivent sont issus de diverses revues, et ont été publiées à destination du grand public. Je les recopie tels que je les ai trouvés, en changeant juste la disposition des composants quand je l'estime nécessaire. Le bornier situé à gauche de chaque schéma et portant les deux pattes numérotées 1 et 2 correspond au branchement à effectuer sur une sortie amplifiée d'un amplificateur BF.
Filtres à deux voies
| Réalisation revue HP N° 1296 Fc = 1100 Hz |
HP graves - 4-5
ohms; 50 W HP aigus - 4-5 ohms; 12 W L1 = 100 uH; L2 = 350 uH (selfs à air) C1 = 25 uF |
| Réalisation revue HP N° 1433 Fc = 1200 Hz |
HP graves - 4-5 ohms HP aigus - 4-5 ohms L1 = 100 uH; L2 = 350 uH (selfs à air) C1 = 25 uF |
| Kit
Heco Melodial
TBS100 revue HP N° 1304 |
HP graves = PCH200
- 8 ohms / 30
W - Freq. rés. = 25 Hz; BP = 25 Hz à 3 KHz HP aigus = PCH25/1 - 8 ohms; 12 W - Freq. rés. = 2,5 KHz; BP = 2 KHz à 4 KHz L1 = B230/1 C1 = 16 uF; C2 = 3,5 uF R1 = 6,8 U / 0,5 W |
| Kit32
Audax |
HP graves =
HIF166FSP-4CA9
- 8 ohms HP aigus = TW74A - 8 ohms L1 = 0,47 mH C1 = 3,3 uF R1 = 3,3 U / 6 W |
| Kit
Audax HMZ 1700 revue HP N° 1826 |
HP graves = HM 170
ZO HP aigus = TW 025 MO L1 = 680 uH; L2 = 470 uH C1 = 680 nF; C2 = 2,2 uF R1 = 8,2 U; R2 = 2,1 U |
Filtres à trois voies
| Préconisation
Peerless revue HP N° 1433 Fc = |
HP graves = P825W HP médium = GT50MRC HP aigus = MT20HFC Pour HPs 4 ohms : L1 = 220 uH; C1 = 48 uF; C2 = 10 uF Pour HPs 8 ohms : L1 = 450 uH; C1 = 24 uF; C2 = 5 uF Pour HPs 16 ohms : L1 = 900 uH; C1 = 12 uF; C2 = 2,5 uF |
| Réalisation revue HP N° 1433 Fc = 400 Hz et 2000 Hz |
HP graves = 4-5 ohms HP médium = 4-5 ohms HP aigus = 4-5 ohms L1 = 800 uH; L2 = 200 uH C1 = 20 uF; C2 = 10 uF; C3 = 3,3 uF |
| Réalisation revue HP N° 1296 Fc = 400 Hz et 2000 Hz |
HP graves = 4-5
ohms / 50 W HP médiums = 4-5 ohms / 50 W HP aigus = 4-5 ohms / 30 W L1 = 800 uH; L2 = 200 uH (selfs à air) C1 = 25 uF; C2 = 10 uF; C3 = 3,3 uF R1 = 6,8 U |
| Réalisation revue HP N° 1296 Fc = 400 Hz et 2000 Hz |
HP graves = 8 ohms
/ 50 W HP médiums = 8 ohms / 50 W HP aigus = 8 ohms / 30 W L1 = 4,5 mH; L2 = 3,5 mH, L3 = 450 uH; L4 = 260 uH (selfs à air) C1 = 35 uF; C2 = 25 uF; C3 = 3,3 uF; C4 = 2 uF |
Remarques pour ce schéma :
- RV1 permet d'ajuster la puissance restituées par le HP médium.
- La polarité du HP médium est bien inversée par rapport aux deux autres HP, ce n'est pas une erreur.
- Le condensateur C4 du filtre passe-haut du HP aigus est bien relié après C2 et non directement à la sortie de l'ampli.
| Filtre
Siare F60 (documentation Siare) Fc = 250 Hz et 6000 Hz (12 dB / oct) |
HP graves = 4 ou 8
ohms
/ ? W HP médiums = 4 ou 8 ohms / ? W HP aigus = 4 ou 8 ohms / ? W L1 = 7,2 mH; L2 = 7,2 mH, L3 = 400 uH; L4 = 400 uH C1 = 50 uF; C2 = 50 uF; C3 = 3,3 uF; C4 = 3,3 uF RV1 = 22 ohms / 10 W |
| --- |
Valeurs non
spécifiées sur le
schéma d'origine |
| Kit
Peerless Julia
100 |
HP graves = 250 WF HP médiums = 122 MF HP aigus = 105 DT L1 = 5 mH; L2 = 900 uH; L3 = 2,4 mH; L4 = 220 uH C1 = 47 uF; C2 = 20 uF; C3 = 8 uF; C4 = 4 uF R1 = 2,7 U |
| Kit
Audax Filtre
101 Fc = 900 Hz et 6300 Hz (12 dB / oct) |
HP graves = MHD 24
P 37 RSM (2
HP en parallèle) HP médiums = MHD 12 P 25 FSM HP aigus = HD 11 X 10 D 25 SP L1 = 2 mH; L2 = 1,5 mH; L3 = 150 uH; L4 = 300 uH C1 = 22 uF; C2 = 15 uF; C3 = 6,8 uF; C4 = 2 uF R1 = 8 U |
| Préconisation
Audax revue HP N° 1433 8 ohms |
HP graves N°1 = 30
- 1200 Hz
- 8 ohms HP graves N°2 = 30 - 300 Hz - 8 ohms HP médium = 1 KHz - 12 KHz - 8 ohms HP aigus = 10 KHz - 40 KHz - 8 ohms L1 = 3,4 mH; L2 = 4,6 mH; L3 = 3 mH; L4 = 250 uH; L5 = 130 uH C1 = 16 uF; C2 = 40 uF; C3 = 15 uF; C4 = 3 uF; C5 = 1 à 2 uF |
| Kit
Cabasse Fc = 1000 Hz et 4500 Hz |
HP graves N°1 et
N°2 = HP médium = Cabasse DOM 12 HP aigus = Cabasse DOM 4 L1 = 2,6 mH; L2 = 4,2 mH; L3 = 1,4 mH; L4 = 5,2 uH; L5 = 280 uH; L6 = 1,55 mH C1 = 10 uF; C2 = 4,7 uF; C3 = 10 uF; C4 = C4' = 2,2u uF; C5 = 3,3 uF; C6 = 3,3 uF; C7 = 6,8 uF R1 = 18 U |
| Kit
Audax Pro 38 (100 W / 8 ohms) Fréquences coupure : 500 Hz et 6000 Hz |
HP graves = PR 38 S
100 HP médiums = PR 17 HR 37 TSM HP aigus = PR 130 P 20 HR L1 = 2,7 mH; L2 = 390 uH; L3 = 2,2 mH; L4 = 150 uH; L5 = 150 uH C1 = 33 uF; C2 = 22 uF; C3 = 15 uF; C4 = 4,7 uF; C5 = 10 uF; C6 = 2,2 uF; C7 = 6,8 uF; C8 = 470 nF (tous condos 63V) R1 = 8 U; R2 = 1,2 U; R3 = 8 U; R4 = 50 U; R5 = 4,7 U; R6 = 8 U; R7 = 8 U (toutes résistances 6 W) |
| Préconisation
Peerless revue HP N° 1433 |
HP graves = P825W HP médium = GT50MRC HP aigus = MT20HFC Pour HPs 4 ohms : L1 = 220 uH; C1 = 48 uF; C2 = 10 uF Pour HPs 8 ohms : L1 = 450 uH; C1 = 24 uF; C2 = 5 uF Pour HPs 16 ohms : L1 = 900 uH; C1 = 12 uF; C2 = 2,5 uF |
| Préconisation
Audax revue HP N° 1433 15 ohms |
HP graves = WFR 15
- 15 ohms HP médium = T19 PA 15 - 15 ohms HP aigus = TW 9 G - 5 ohms (2 tweeter en série) L1 = 4 mH; L2 = 4 mH C1 = 8 uF; C2 = 8 uF; C3 = 2 uF |
Un filtre passif avec des lampes à incandescence ?
Certains filtres passifs comportent une ou deux lampes à filament, soit à l'entrée du filtre d'aiguillage graves/aigus, soit dans le trajet du signal dédié au tweeter (aigus). Ces lampes jouent un rôle de protection contre les surcharges et protègent le ou les haut-parleurs contre toute destruction liée à une puissance reçue excessive (lors d'une forte saturation au niveau de l'amplificateur de puissance, par exemple). Voici un exemple de mise en oeuvre d'une telle technologie de protection (dans cet exemple, un fusible de type retardé est également présent) :
Le principe de fonctionnement repose sur le fait qu'une lampe à filament possède une résistance ohmique plus faible à froid qu'à chaud (CTP, résistance à Coefficient de Température Positif). En absence de signal audio, la ou les lampes présentent une résistance très faible et n'apportent qu'une faible atténuation. En présence d'un signal audio "modéré" (en tout cas inférieur au niveau toléré), la résistance des lampes reste modérée et l'atténuation reste faible. En cas de surcharge, les lampes sont parcourues par un courant suffisament élevé pour que leur résistance augmente subitement, limitant ainsi le courant dans les haut-parleurs. A cet instant, on peut d'ailleurs voir le filament des lampes rougir ou même s'éclairer nettement.
Sur le schéma qui précède, on peut se questionner sur la présence des résistances câblées en parallèle des ampoules. Celles-ci permettent au signal audio amplifié de parvenir aux haut-parleurs, dans le cas où les lampes grillent. Ces résistances permettent de ne pas couper complètement le son, tout en apportant une atténuation audible qui invite l'utilisateur à envisager un dépannage... A ce sujet, les lampes peuvent être remplacées par un fusible réarmable (par exemple polyswitch RXE 110 en // sur 22 ohms 25W dans l'enceinte JBL 2402).