jeudi 17 décembre 2020

Alimentation par batterie + panneaux solaires

 

Alimentation par batterie + panneaux solaires

 

Dans un article précédent j'ai présenté une porte de poulailler automatisée, alimentée par une batterie :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html

Dans celui-ci je vais exposer uniquement la partie alimentation solaire, en tentant d'expliquer une méthode de mise en œuvre.

Il ne s'agit pas ici d'étudier un montage à très basse consommation (quelques µA ou dizaines de µA) que l'on peut recharger tous les 6, 12 ou 18 mois à l'aide d'un chargeur ou par remplacement de la batterie, bien que cela soit possible, à condition que le montage soit à l'extérieur.
C'est uniquement une question de budget. Vaut-il mieux alimenter en solaire ou changer une batterie régulièrement ?

Il s'agit plutôt d'alimenter un montage ayant une consommation journalière relativement élevée, cette consommation étant due souvent à l'utilisation d'un organe mécanique (moteur, pompe, actionneur, gâche électrique) dont on ne peut réduire la consommation car toute action mécanique nécessite de la force, et donc de l'énergie.

1. Tension d'alimentation

Tout montage a besoin d'une tension d'alimentation principale, celle qui va alimenter le microcontrôleur, généralement sous 3.3V ou 5V.

On peut avoir également besoin d'une tension supplémentaire pour alimenter un moteur, un vérin, un actionneur ou un module quelconque en 5V, 6V, 12V ou autre.

La première idée qui vient à l'esprit est d'utiliser une batterie 6V ou 12V adaptée au moteur, vérin, ou actionneur, et d'abaisser cette tension à 3.3V ou 5V pour alimenter le microcontrôleur, à l'aide d'un régulateur linéaire de bonne qualité.
En choisissant cette solution un problème se pose lors du choix du chargeur. En effet les chargeurs du commerce sont généralement prévus pour de grosses batteries 12V ou 24V, ce qui élève fortement le budget.
Certaines solutions bon marché existent toutefois : voir en fin de document.

Nous allons donc partir du principe que l'on peut parfaitement alimenter un montage à l'aide d'une seule batterie LITHIUM-ION 3.7V (ou de plusieurs en parallèle), et recharger celle-ci avec un petit chargeur automatique très bon marché : le TP4056.

La démarche sera la même si l'on a décidé d'utiliser une batterie 6V ou 12V au plomb, mis à part qu'il faudra utiliser un chargeur dédié. Cette solution sera de toutes façons beaucoup plus chère et encombrante. La batterie plomb est la seule toutefois à pouvoir fonctionner à très basse température. Une batterie LITHIUM-ION verra sa capacité diminuer de moitié à -20°C. De plus il faudra éviter de la recharger si sa température est inférieure à 0°C.

Remarque : 3V est la limite basse pour une batterie LITHIUM-ION. En dessous de cette tension, la durée de vie de la batterie sera réduite. Il convient donc de calculer son chargeur de façon précise.

1.1. Alimentation 3.3V

Certains circuits ne supporteraient pas une tension batterie de 3.7V, c'est le cas du module radio NRF24L01 par exemple.

Dans ce cas il conviendra de prévoir un régulateur linéaire 3.3V. Ce régulateur pourra également alimenter le microcontrôleur, une carte ARDUINO PRO MINI 8MHz par exemple, un ESP8266, ou un ESP32.

Un ARDUINO peut se contenter d'un régulateur HT7533-1 (100mA), mais pour un ESP8266, ou un ESP32 il faudra prévoir un régulateur 500mA, un ME6211 ou un RT9013 par exemple. Ces deux régulateurs ont une consommation propre de 40µA et 25µA.

Ces deux régulateurs ont une tension de déchet (drop-out) de 120mV et 170mV, la tension de la batterie pourra donc chuter jusqu'à 3.2V sans problème, il restera encore au moins 3V en sortie. Attention toutefois à la connexion au WIFI, qui va consommer au moins 400mA et faire chuter encore plus la tension de la batterie.

3V est la limite de fonctionnement d'un ESP8266. Un ESP32 sera capable de fonctionner jusqu'à 2.2V, un ARDUINO PRO MINI 8MHz jusqu'à 2.7V. 

Mais dans tous les cas, 3V est la limite basse pour une batterie LITHIUM-ION.

1.2. Alimentation 5V

Si le microcontrôleur ou tout autre module (un servomoteur par exemple) doit être alimenté sous 5V, on peut parfaitement élever la tension de la batterie avec un convertisseur STEP-UP, un XR2981 par exemple :

Il consommera très peu sur la batterie, 120µA, et pourra éventuellement fournir un courant de 2A.

1.3. Alimentation 12V ou autre

Si l'on doit piloter un moteur 12V ou plus, il faut d'abord se poser la question du circuit de pilotage.

La partie logique d'un L293D ou un L298 devra être alimentée sous 5V et consommera un courant non négligeable sur la batterie, une dizaine de mA.
Mon projet utilise un L293D pour des raisons de disponibilité immédiate, mais deux MOSFETs sont nécessaires pour couper ses alimentations. Cela fait ajouter un peu d'électronique :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html

Si l'on préfère utiliser un microcontrôleur 3.3V, il est préférable également de choisir un autre circuit de pilotage, un TB6612FNG (15V, 1.2A) ou un VNH7070BAS (38V, 15A). Ces deux circuits accepteront d'être commandés avec une tension de 3V et possèdent une broche de standby, ce qui permettra de réduire fortement leur consommation au repos (1µA).

En bref il faut fouiller chez les revendeurs de composants électroniques pour dénicher le pilote adapté à son microcontrôleur, et de préférence choisir un composant moderne, permettant d'économiser l'énergie.

A partir de la tension de la batterie, il sera possible de fabriquer une tension de 12V ou autre avec un convertisseur STEP-UP, un MT1308 par exemple :

Il consommera 170µA sur la batterie, et pourra fournir un courant de 2A.

1.4. Batterie au plomb

Si l'on a opté pour une alimentation par batterie au plomb, il est nécessaire d'éclaircir un point.

Beaucoup d'amateurs pensent qu'il suffit d'appliquer à la batterie une tension de 14V pour la recharger, et qu'en fin de charge, comme la tension de la batterie va atteindre cette tension de 14V, le courant de charge va s'annuler.

C'est vrai en partie. A une température de 25° cela va fonctionner, mais la tension de fin de charge varie en fonction de la température. Pour du 12v / 6 éléments :

  • 14.6V à -10°C
  • 13.6V à +25°C
  • 13.2V à +40°C

L'utilisation  d'un chargeur régulé en température est absolument nécessaire.

Je vous renvoie à cet article :

https://ni-cd.net/wpnicd/index.php/la-charge-des-batteries-au-plomb/

2. Bilan de consommation

Après avoir fait ses choix techniques la première chose à faire est un bilan de consommation électrique.

Il faut tout d'abord connaître les limites de l'utilisation du système. Si par exemple un moteur doit être actionné, le temps de rotation du moteur doit être connu, et le nombre de fois où ce moteur doit être actionné dans la journée également. Connaissant la consommation du moteur, il est facile d'en déduire l'énergie qu'il consommera dans une journée.

Le premier problème est de savoir quel sera le courant consommé pour un couple donné. Il est rare que la datasheet d'un moteur ou d'une pompe soit suffisamment précise. En général seul le courant maximal et le couple maximal sont précisés. Il faut souvent réaliser un essai, charger mécaniquement le moteur et mesurer le courant. Pour une pompe il faudra aussi se rapprocher au maximum des conditions réelles (hauteur de liquide à relever par exemple).

Pour une gâche électrique ou un actionneur ce sera plus facile.

2.1. Exemple

Prenons comme exemple imaginaire un moteur 12V qui doit tourner en moyenne 10 fois par jour pendant 2 minutes (donc 20 minutes en tout). Il consomme 100mA. Il est contrôlé par un ESP8266 et un pilote TB6612FNG. Un capteur de luminosité BH1750 est présent, car les actions sont réalisées uniquement pendant le jour.

Un ME6211 permet d'alimenter l'ESP8266 et le BH1750.

L'ESP8266 est en mode veille, sauf pendant les périodes de rotation du moteur.

Il est à noter que le TB6612FNG et le BH1750 sont choisis pour leur aptitude à fonctionner sous 3.3V et leur faible consommation.

On pourrait facilement adapter cette méthode de calcul pour n'importe quel montage, mais il faut retenir une chose : on doit absolument connaître les caractéristiques du matériel utilisé, et pour cela il faut aller à la pêche au renseignements (datasheets, WEB, etc.).

L'exemple choisi est volontairement complexe, afin d'attirer l'attention du lecteur sur les différents types de consommation :

  • consommation permanente
    • microcontrôleur en mode veille
    • convertisseur
    • etc.
  • consommation intermittente 
    • moteur, pompe
    • microcontrôleur en mode éveillé
    • connexion WIFI
    • etc.
Toutes ces consommations se calculent en mAH (milliampère heure) par jour et s'ajoutent au final.

2.2.1. Consommation permanente

La consommation permanente de l'électronique sera la suivante :

  • ME6211 : 40µA
  • convertisseur MT1308 : 170µA
  • ESP8266 type NodeMCU en mode veille : 100µA
  • TB6612FNG : 1µA
  • BH1750 : 190µA

Soit un total de 500µA, donc 0.5mA. Cette consommation est permanente, donc il faut la multiplier par 24H, ce qui donne 12mAH.

2.2.2. Consommation intermittente

La consommation journalière (20 minutes) du moteur sera de :

C = 100mA / 60 * 20 = 33mAH

En admettant que l'ESP8266 reste éveillé pendant que le moteur tourne il consommera environ 70mA pendant également 20 minutes :

C = 70mA / 60 * 20 = 23mAH

On peut également ajouter un petit peu d'énergie pour la phase de connexion au WIFI (400mA). Une durée de 10 secondes est un maximum, et comme il y a 10 réveils par jour, il faut multiplier par 10 :

C  = 400mA / 3600 * 10 * 10 = 11mAH

Si l'on utilise un ESP8266 c'est qu'il y a des données à transmettre ou recevoir. Pendant les phases de communications l'ESP8266 consommera environ 200mA. Admettons que nous communiquons pendant 2 secondes après chaque mouvement du moteur :

C  = 200mA / 3600 * 2 * 10 = 1mAH

2.2.3. Consommation totale

Nous obtenons un total de :

12mAH + 33mAH + 23mAH + 11mAH + 1mAH= 80mAH

Cela veut dire que la batterie devra fournir cette énergie quotidiennement et le panneau solaire également.

Il serait bien entendu inenvisageable d'alimenter ce montage à l'aide d'une batterie rechargée manuellement, sachant qu'une batterie de 2500mAH aura une autonomie de :

2500mAH / 80mAH = 31 heures

Notre bilan de consommation est terminé. Il va falloir s'occuper maintenant de la partie alimentation.

3. Choix de la batterie et du panneau solaire

3.1. Courant maximal

Une batterie ne se choisit pas simplement par rapport à sa capacité. Il faut tenir compte du courant qu'elle est capable de fournir.

Dans l'exemple précédent la consommation maximale instantanée est de 400mA (connexion au WIFI). La batterie devra donc être capable de fournir ce courant sans chute de tension excessive. Si l'on a besoin d'un courant très important on il existe des batteries pouvant fournir 20A ou 30A (MXJO par exemple).

A moins d'avoir des contraintes d'encombrement importantes, la batterie 18650 reste un bon choix, car elle a le meilleur rapport capacité / prix. Sinon, une 16340 ou une petite LIPO feront l'affaire.

Pour augmenter le courant disponible et la capacité, on peut accoupler plusieurs batteries 18650 en parallèle, à condition qu'elles soient du même type, même âge, et qu'elles soient correctement chargées au départ. 

Pour les projets à base d'ESP8266 ou ESP32 une batterie LIFEPO4 (3.6V à pleine charge) est idéale.

3.2. Capacité

Comment calculer la capacité nécessaire ?

Plusieurs facteurs sont à prendre en compte :

  • la quantité d'énergie nécessaire
  • la météo de la région dans laquelle le système est installé
  • l'exposition par rapport au soleil

Par temps couvert un panneau solaire fournira un peu d'énergie, environ 1% à 2% de son maximum. Cela peut être suffisant pour la recharge, ou pas.

Par exemple un panneau de 12V / 1W en plein soleil peut avoir un courant de court-circuit de 250mA, et par temps couvert ce courant tombe à 4mA.

Dans notre exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. En été et en plein soleil cette recharge serait effectuée en :

T = 80mAH / 250mA = 0.32 heures soit un peu plus de 19 minutes

Dans notre exemple précédent la consommation permanente est de 500µA, ce qui veut dire que 4mA sont amplement suffisants pour recharger la batterie, sauf quand le moteur tournera, mais cela va prendre du temps. Nous avons calculé que nous avons besoin de 80mAH par jour :

T = 80mAH / 4mA = 20 heures

On voit tout de suite que la recharge sera insuffisante par temps couvert, car le soleil se sera couché bien avant l'heure prévue. Si l'on considère que, l'hiver, on aura 8 heures de luminosité par jour, la recharge fournira seulement 4mA x 8 = 32mAH, soit 40% des besoins.

La solution peut être d'adopter un panneau fournissant 2.5 à 3 fois plus d'énergie, ainsi on n'aura même pas à se préoccuper de la météo. Cette solution est envisageable pour une installation de faible puissance (quelques watts), car pour un panneau de taille supérieure le prix sera prohibitif.

Une exposition au sud aura de meilleures chances de provoquer une recharge plus rapide de la batterie, par temps ensoleillé.
Par contre par temps couvert l'exposition a peu d'importance. Le courant sera le même, que le panneau soit bien exposé ou pas.

Si l'on tient compte de la météo et de l'exposition, une marge plus ou moins importante de capacité batterie est nécessaire. Dans certaines régions il est possible d'avoir plusieurs jours de temps couvert consécutifs.

Dans tous les cas il faut avoir quelques informations en main :

La consommation journalière du montage en mAH, ce que nous avons donc calculé dans l'exemple précédent.

La quantité d'énergie que peut fournir le panneau par temps couvert et en hiver. Si l'on veut estimer cette quantité d'énergie avant d'acheter le panneau, on peut faire une approximation en prenant 1% du courant de court circuit, et multiplier par le nombre d'heures d'ensoleillement par jour en hiver (environ 8H).
Il est bien entendu déconseillé d'acheter un panneau dont on ne connaît pas le courant de court-circuit.

La quantité d'énergie que peut fournir le panneau au soleil et en hiver. Il est assez proche du courant de court-circuit pour un panneau 12V, plus faible pour un panneau 5V ou 6V.
Cette donnée est essentielle. En effet si l'énergie fournie quotidiennement en plein soleil est inférieure à l'énergie consommée par le montage, il faudra envisager l'achat d'un panneau fournissant plus d'énergie, ou de réduire la consommation du montage.

Le nombre de jours de temps couvert consécutifs. Cette information va directement conditionner le choix de la capacité de la batterie.

Dans l'exemple précédent l'énergie quotidienne nécessaire est de 80mAH. Avec un petit panneau de 1W capable de fournir 32mAH par temps couvert, on a un déficit de :

D = 80mAH - 32mAH = 48mAH

Une semaine de temps couvert, donc d'autonomie complète, conduira au choix d'une batterie de 48mAH x 7 jours = 340mAH.

Attention tout de même. Il faut tenir compte du fait que lorsque la batterie sera presque vide, sa tension va chuter à 3V et elle ne sera peut-être plus capable de fournir un courant suffisamment important pour notre montage. Lorsque l'on regarde la courbe de décharge d'une batterie LITHIUM-ION, on voit que la tension chute fortement à partir de 25% de capacité restante. Il vaut mieux donc adopter une batterie ayant 25% de capacité de plus, soit 420mAH.

3.3. Climats extrêmes

Si l'on considère que les périodes de temps couvert peuvent durer plus d'une semaine, il suffit de refaire le calcul.

Si le montage est destiné à fonctionner dans une région très froide, il vaut mieux doubler la capacité (une batterie LITHIUM-ION verra sa capacité diminuer de moitié à -20°C). Dans certains cas extrêmes, la seule solution sera d'adopter une batterie au plomb.

REMARQUE IMPORTANTE : il est déconseillé de recharger une batterie LITHIUM-ION lorsque sa température descend en dessous de 0°C. Le chargeur devra donc être coupé. On peut le faire simplement avec un MOSFET (voir schéma plus bas).

Seule la température de la batterie est concernée, pas celle du panneau. Si la batterie est située dans un local hors gel, cette précaution est inutile.

3.4. Le chargeur TP4056

Cette carte TP4056 à 0.50€ est idéale. Elle est capable de fournir 1A :


Elle est équipée de deux LEDs :

  • rouge quand la charge est en cours
  • bleue quand la charge est terminée

Quand le panneau ne fournit plus de courant, les deux LEDs sont éteintes.

On peut brancher un chargeur USB (il existe des modèles mini ou µUSB) ou alors utiliser les deux pastilles marquées IN+ et IN- pour y brancher un panneau solaire 5V ou 6V. Si la tension du panneau est supérieure il faudra l'abaisser (voir plus loin).

Elle accepte jusqu'à 8V sur son entrée. Elle a une consommation très faible (typiquement 2.5µA) sur la batterie lorsque son entrée est débranchée ou que le panneau ne fournit pas d'énergie.

Une batterie 16340 ayant une capacité de 650mAH ou une petite LIPO ne supportera pas un courant de 1A. On ne devra pas dépasser un courant de C/2, c'est à dire 325mA pour une batterie de 650mAH. Si le panneau est trop puissant, on peut diminuer le courant de charge si nécessaire en remplaçant une résistance : 

Mais on peut bien évidemment diminuer ce courant en adoptant un panneau bien dimensionné, qui ne pourra jamais fournir un courant supérieur à C/2, ce qui est plus rationnel.

3.4.1. Panneau solaire 5V ou 6V

Il existe des panneaux 5V ou 6V. Un panneau de ce type pourra être utilisé directement.

Il est par contre impératif de mesurer sa tension à vide en plein soleil afin de vérifier qu'elle ne dépasse pas 8V. 

3.4.2. Panneau solaire 12V ou plus 

Un essai de charge d'une batterie 18650 avec un TP4056 et un petit panneau de 12V / 4W m'a permis de constater qu'en début de charge la tension du panneau est de 3.7V pour un courant de 300mA. C'est parfaitement normal, la tension chute fortement en sortie de panneau si le courant demandé est important.

Par contre, en fin de charge, le TP4056 coupera le courant et la tension du panneau risque d'augmenter fortement, jusqu'à atteindre sa tension à vide (12V, 20V suivant le cas), ce qui serait destructeur pour le TP4056.

Il est indispensable d'abaisser la tension à moins de 8V pour que le TP4056 ne soit pas endommagé. Un convertisseur à découpage MP1584 5V effectuera ce travail :

Un LM2596 ferait également l'affaire :

Pour des raisons de fiabilité je préfère les régulateurs à tension de sortie fixe.

L'utilisation d'un régulateur linéaire (LM7805, LM317) est déconseillée, car le courant fourni par le panneau sera égal au courant de charge. Imaginons un panneau capable de fournir 1A sous 12V. La dissipation sera élevée :

P = (12V - 5V) * 1A = 7W

Il est dommage de gaspiller 7W alors que l'on a besoin de 5W pour la charge. Le rendement se situerait aux alentours de 40%.

De plus pour dissiper une pareille puissance il faudra un dissipateur assez conséquent, probablement un modèle en dessous de 5°C/W :

Dissipateur 42x38x25

Avec un régulateur à découpage le courant consommé sur le panneau sera plus faible :

I = 1A / (12V/5V) = 0.41A

Et la dissipation sera plus faible également (exemple avec un convertisseur ayant 90% de rendement) :

P = 5V * 1A * 10% = 0.5W

Lorsque l'on utilise un régulateur réglable il faut de préférence choisir un modèle à potentiomètre étanche comme sur le LM2596 ci-dessus.

Ces régulateurs à potentiomètres miniatures sont à proscrire :

MP1584 réglable

Schéma du chargeur

Ce chargeur, couplé avec un panneau solaire 12V / 4W est capable de fournir 450mA en début de charge. Il sera donc capable de charger une batterie de 2500mAH en 5H30.

Schéma du chargeur avec MOSFET de coupure du panneau

Comme je le disais plus haut : il est déconseillé de recharger une batterie LITHIUM-ION lorsque sa température descend en dessous de 0°C. Le chargeur devra donc être coupé.

La broche ENABLE commande un transistor 2N3904 qui permet de rendre passant un MOSFET canal P (AOI403) et ainsi d'autoriser la recharge de la batterie.

Ce MOSFET a deux utilités :

  • couper le panneau dans le cas où l'on désirerait mesurer sa tension (VPANEL)
  • couper le panneau si la température descend en dessous de 0°C

La broche ENABLE peut être directement commandée par une sortie du microcontrôleur. On appliquera un niveau haut pour autoriser la charge, un niveau bas pour la couper.

Il faudra bien entendu ajouter un capteur de température au montage.

3.5. Le chargeur TP5000

Pour les projets à base d'ESP8266 ou ESP32 un TP5000 pourra charger une batterie LIFEPO4 si l'on a fait ce choix.

On trouve deux types de cartes :

  • cartes dédiées LIFEPO4 
  • cartes LITHIUM-ION ou LIFEPO4

Un pont de soudure permet en général de faire le choix. Voir ici :

https://lygte-info.dk/review/Review%20Charger%20TP5000%204.2-3.6V%20module%20UK.html

3.6. Autres chargeurs

Il existe d'autres solutions si l'on a besoin d'un courant de recharge plus important, celle-ci par exemple :

Ce chargeur 3A est disponible ici pour 7€ :

https://fr.aliexpress.com/item/32287069409.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.27426c375ZQrSJ

Il est capable de gérer divers types de batterie (NIMH, Plomb, LI-ION, LIFEPO4) et plusieurs configurations sont possibles :

  • 1 à 3 batteries LITHIUM-ION en série
  • 1 à 4 batteries LIFEPO4 en série
  • 1 batterie 12V plomb

Il existe certainement d'autre modèles, et pour les puissances plus importantes il est toujours possible de s'orienter vers les solutions d'alimentation solaire domestique, en sachant toutefois que ce sont des solutions fonctionnant à partir de batteries 12V ou 24V, et le budget ne sera pas le même.

4. Mesures

Voici mon projet de porte de poulailler :

https://riton-duino.blogspot.com/2020/04/porte-motorisee-de-poulailler-1ere.html 

Les données de recharge de la batterie LITHIUM-ION sont remontées vers un serveur DOMOTICZ grâce à un module radio NRF24L01.

Voici un relevé datant du 15 décembre par beau temps :


Le graphique du haut représente la tension du panneau. A 10H50 elle augmente à 16V. Cela veut dire que la batterie est pleine, le TP4056 a coupé la charge. Le panneau ne débite plus de courant.

Le graphique du bas montre la puissance débitée, 0.3W entre 10H40 et 10H50. Avant 10H40 elle est inférieure à 0.1W, mais la recharge se fait quand même, à faible courant, panneau à l'ombre.

Aujourd'hui 17 décembre, par temps très couvert, la recharge n'est toujours pas terminée et il est 16 heures !

Aujourd'hui 18 décembre, une brève apparition du soleil entre 12H50 et 12H55 et donc une petite pointe de puissance de 0.3W a permis d'atteindre la pleine charge. Il ne manquait donc pas grand chose.

5. Conclusion

J'espère avoir un peu débroussaillé le sujet pour ceux qui souhaiteraient débuter dans ce domaine.


Cordialement

Henri


mercredi 16 décembre 2020

Enceinte Supravox 215 RTF64

 

Enceinte Supravox 215 RTF64


Le Supravox 215 RTF64 est un haut-parleur légendaire de 21cm né en 1964 :


Il a largement évolué depuis cette date afin d'adopter des matériaux plus modernes :

215 RTF64 bicône

Comme on le voit il s'agit d'un haut-parleur large-bande. 

Il existe une version utilisable uniquement en grave & médium, sans le cône central :

215 RTF64

Avec ce modèle il sera nécessaire d'ajouter un tweeter.

Ses caractéristiques sont les suivantes :

  • rendement :
    • 97dB
    • 96dB pour la version bicône
  • réponse en fréquence :
    • 50Hz-10KHz
    • 50Hz-20KHz pour la version bicône
  • puissance : 35W

Son rendement est plutôt élevé : 97dB pour 1W à 1m, ce qui permettra de l'alimenter avec un amplificateur de faible puissance. A titre d'exemple un amplificateur de 32W permettra d'attendre une pression acoustique plutôt confortable :

32 étant égal à 2 élevé à la puissance 5, on ajoutera donc 5 fois 3 dB aux 97dB, ce qui donne au total 112dB, de quoi sonoriser sans peine une grande salle d'écoute.

1. Le projet

J'ai choisi de fabriquer une enceinte deux voies avec ce haut-parleur, et d'ajouter un tweeter à ruban :

FOUNTEK NEO CD2.0

Ses caractéristiques sont les suivantes : 

  • rendement : 97dB
  • réponse en fréquence : 1200Hz - 40kHz
  • puissance : 20W

D'autres modèles sont envisageables, des tweeters à compression par exemple (Beyma CP21F, JBL 2405H, Fostex T90A, Fostex FT17H). Certains de ces tweeters ont un rendement trop élevé, il faudra réduire leur puissance à l'aide de résistances.

Le modèle choisi devra avoir un rendement au moins équivalent à celui du 215 RTF64 : 97dB, ce qui exclut pas mal de tweeters, à dôme en particulier.

Un Beyma T2030-8 à dôme (avec un rendement de 95dB) pourrait à la limite convenir.

Parlons du prix :

  • le 215 RTF64 : 199
  • le Fountek NeoCD2.0 : 105€
  • le filtre 18dB/octave : 75€
  • menuiserie en MDF de 22mm : 40€
  • thibaude : 10€
  • bornier : 3€

On atteint un total de 432€, donc 864€ la paire.

La réalisation mono-voie avec le modèle bicône sera moins chère :

  • le 215 RTF64 bicône : 234
  • menuiserie en MDF de 22mm : 40€
  • thibaude : 10€
  • bornier : 3€

Un total de 287€, donc 584€ la paire.

Parlons de la taille. Cette enceinte a un volume total de 112 litres et des dimensions conséquentes :

  • hauteur : 1070mm
  • largeur : 344mm
  • profondeur : 410mm

Un autre modèle existe, avec des dimensions au sol plus réduites :

  • hauteur : 1200mm
  • largeur : 280mm
  • profondeur : 350mm

2. Le filtre

Voici le schéma du filtre :

Les inductances sont des Mundorf L200, et les condensateurs des SCR MKP série PPE (630VDC).

3. La réalisation

Les plans de l'enceinte sont fournis par Supravox : TQWT 215 N°1

Le deuxième modèle est ici : TQWT 215 N°2

J'ai choisi de réaliser le premier modèle.

4. Les photos

Voici quelques photos de la réalisation en cours :


Au lieu de réaliser la courbure à l'arrière du haut-parleur à l'aide de contreplaqué j'ai utilisé du carton ondulé, nettement plus facile à cintrer. La rigidité est assurée par de la mousse expansive, comme préconisé par Supravox.

L'assemblage est réalisé à l'aide de colle à bois et de vis de Ø4mm x 50mm. Il vaut mieux pré-percer les panneaux afin d'assurer un serrage optimal :

La paroi arrière et les côtés seront recouverts de thibaude de 10mm d'épaisseur, une sous-couche feutrée isolante que l'on peut trouver dans les boutiques vendant de la moquette :

A l'arrière de l'enceinte un bornier vissé sur un morceau de parquet stratifié permet d'accueillir le câble de liaison à l'amplificateur :


Il s'agit du même modèle que ceux utilisés pour l'amplificateur : www.audiophonics.fr

Un câble de 2.5mm² est utilisé pour le raccordement au haut-parleur, avec des cosses :

  • fil dénudé côté haut-parleur
  • cosses à œillet Ø4mm côté bornier

Avec le FOUNTEK NEO CD2.0

5. Mesures

Voici une mesure produite à l'aide du logiciel REW, à l'aide d'un micro de mesure Superlux ECM999 placé horizontalement, à 1 mètre de l'enceinte :

Il va falloir atténuer un peu le tweeter, et déterminer si les pointes à 180Hz et 350Hz sont dues à l'enceinte ou à la pièce d'écoute.

6. Conclusion

Au départ, en attendant de construire le filtre et de recevoir le FOUNTEK NEO CD2.0, j'ai utilisé un vieux tweeter Gamma VLD13, au rendement un peu court, et simplement mis en série avec le tweeter un condensateur de 2.2µF, afin de le couper à 10000Hz, et laisser fonctionner le 215 RTF64 en large bande, sans filtrage.

L'écoute a été plutôt désastreuse, médium très brouillon, voix criardes, directivité extrême. Soupçonnant un problème de rodage, j'ai laissé une playlist se dérouler toute la journée. Au soir l'écoute était nettement meilleure et n'a cessé de s'améliorer les jours suivants, sans toutefois égaler mes colonnes Focal Cobalt 816S.

C'est la première fois que je constate autant de différence avant et après rodage d'un haut-parleur. C'est assez déroutant au départ, étant donné la réputation du Supravox 215 RTF64.

Avec le filtre à 3500Hz et le FOUNTEK NEO CD2.0 l'écoute est beaucoup plus vivante, très naturelle.

L'écoute avec le caisson de basses ONKEN apporte encore une fois plus de profondeur et plus de clarté dans le médium, comme je l'avais déjà constaté avec les Focal Cobalt 816S.

 

Cordialement

Henri



vendredi 4 décembre 2020

Novembre 2020 : Actualité des Blogs du Mois

 


Actualité des Blogs du Mois


Sur le blog d'Yves Pelletier :
Sur  Framboise 314 :
Sur  MCHobby :

Sur ArduiBlog

 

Cordialement
Henri 

 

mardi 1 décembre 2020

Caisson de basses ONKEN

 


Dans l'article précédent j'ai décrit un caisson de basses équipé d'un haut-parleur BEYMA 38cm. Le projet initial était plutôt de produire un caisson de type Onken avec un haut-parleur de 30cm Gamma. Malheureusement le haut-parleur Gamma est en mauvais état, sa bobine frotte dans l'entrefer.

J'ai dû me mettre en quête d'un haut-parleur pouvant le remplacer.

1. Onken

Dans les années 1980 la revue L'Audiophile avait publié 3 articles décrivant la fabrication de 3 caissons de basses :

  • la grande Onken, équipée d'un 38cm Altec 416, d'un volume de 360 litres
  • la petite Onken, équipée d'un 30cm Altec 414, d'un volume de 155 litres
  • la mini Onken, équipée d'un 26cm Focal 10C01V3, d'un volume de 80 litres

Ces réalisations sont décrites ici :

https://onken.info/

J'ai décidé de fabriquer une petite Onken.

Le but de cet article est de décrire la manière de s'y prendre.

2. Choix du haut-parleur

Dans mon cas, cette enceinte sera utilisée comme caisson de basses unique dans une installation 2.1, en combinaison avec une paire de Focal Cobalt 816S, donc elle recevra uniquement de l'extrême grave, en dessous d'environ 100Hz.

Si l'on envisage une réalisation stéréo avec deux caissons de basses, le choix du haut-parleur sera très probablement différent, car il devra traiter des fréquences plus élevées, jusqu'au bas médium, et la fréquence de coupure pourrait facilement se situer au delà de 300Hz, en fonction du haut-parleur de basse et médium utilisés.

Il faut dans un premier temps se fixer une taille de haut parleur qui correspond à ce que l'on désire entreprendre, en fonction de certains facteurs :

  • la qualité
  • la puissance nécessaire
  • le volume de la caisse dépendra fortement du diamètre du haut-parleur
  • les contraintes de coût, de disponibilité
  • la compatibilité avec le WAF (Women Acceptance Factor)

Pour faire son choix il est préférable de consulter les forums, quitte à y déposer une demande.

2.1. Puissance et rendement

Concernant la puissance et le rendement d'un haut-parleur il faut savoir que multiplier par 2 une puissance correspond à ajouter 3dB. Avec un rendement de 3dB supérieur il faudra donc 2 fois moins de puissance pour obtenir un niveau sonore équivalent.

Avec un haut-parleur ayant un rendement de 100dB il faudra seulement 64W pour atteindre un niveau de 118dB, un peu en dessous du seuil de la douleur. Avec un haut-parleur ayant un rendement de 97dB il faudra le double.

2.2. Le choix

Comme on le verra plus bas, il est préférable de privilégier les haut-parleurs à membrane légère pour ce genre de montage.

J'ai tout d'abord orienté mes recherches sur des haut-parleurs de 25 et 30cm. Les contraintes de fabrication d'une enceinte Onken sont les suivantes :

  • la surface des évents doit être comprise entre 85% et 100% de la surface de la membrane
  • la longueur des évents doit être inférieure à 35cm

La mini-onken à base de Focal 10C01 fait une entorse sur la deuxième règle. Les concepteurs ont donc eu du mal à trouver un haut-parleur pouvant satisfaire à 100% ces exigences, et je pense que l'on peut se permettre de faire de même.

Voici quelques choix possibles chez Thomann, La Vitrine du Haut-Parleur, Tout le Haut-Parleur ou La Maison du Haut-Parleur. Pour chaque modèle la puissance, le rendement, la fréquence de résonance et la masse mobile sont précisés. 

En 25cm (10 pouces) :

  • BEYMA 10BR60V2 (100W, 91dB, 31Hz, 49g)
  • FAITAL 10RS350 (300W, 91dB, 40Hz, 59g)
  • SCANSPEAK 28W.8878T01 (200W, 88.5, 22Hz, 83g)

Ces haut-parleurs imposeront des longueurs d'évent importantes, respectivement 95cm, 166cm et 187cm. L'évent sera difficile à réaliser.

En 30cm (12 pouces) :

  • Beyma SM112/N (400W, 97dB, 40Hz, 58g)
  • Beyma 12G40 (500W, 97dB, 44Hz, 62g)
  • Davis 31TCA12W (150W, 94dB, 27Hz, 41g)
  • Faital 12FH530 (500W, 98dB, 45Hz, 67g)
  • Fostex FW305 (40W, 95dB, 25Hz, 55g)
  • JBL 2206H (600W, 95dB, 52Hz, 63g)
  • RCF L12L750 (350 W, 101dB, 62Hz, 50g)
  • Supravox 285 GMF (35W, 99.9dB, 47.8Hz, 19.7g)

Parmi ces haut-parleurs de 30cm seuls le Davis 31TCA12W et le Supravox 285 GMF permettent d'employer un évent droit de taille raisonnable. J'ai choisi le Davis 31TCA12W pour différentes raisons :

  • rendement élevé
  • membrane légère (carbone)
  • fréquence de coupure basse

Bien entendu si l'on a la chance de pouvoir acquérir en occasion un Altec 416 ou 414, ou un Focal 10C01V3, on pourra se lancer dans la réalisation d'une ONKEN originale en suivant les plans fournis sur le site https://onken.info/.

Si l'on achète un haut-parleur d'occasion il est préférable de le tester avant de démarrer la fabrication. Il suffit de lui appliquer un signal sinusoïdal de fréquence fixe. On peut brancher un amplificateur sur la sortie ligne d'un PC et utiliser un générateur en ligne :

https://onlinetonegenerator.com/

On peut utiliser une fréquence de 5 à 10Hz et une puissance suffisante pour faire remuer suffisamment la membrane, afin de vérifier que la bobine ne frotte pas dans l'entrefer. Cela peut arriver avec un haut-parleur ayant été maltraité.

3. Calculs

Tout d'abord il faut vérifier que les paramètres du haut-parleur choisi sont compatibles avec ce type d'enceinte. Pour cela il faut obligatoirement disposer de ces paramètres. Ces paramètres se nomment "Paramètres de Thiele & Small". On peut facilement en trouver leur signification comme par exemple ici :

https://www.toutlehautparleur.com/parametres-thiele-and-small

Voici un résumé :

  • Fs : fréquence de résonance
  • Re : résistance de la bobine
  • Qms : facteur de qualité mécanique du haut-parleur à sa Fs
  • Qes : facteur de qualité électrique du haut-parleur à sa Fs
  • Mms : masse mobile en grammes
  • Sd : surface de la partie émissive de la membrane
  • Rg : résistance du câblage et filtre

Dans le cas où l'on ne parvient pas à trouver ces paramètres cette base de données peut être d'une aide appréciable.

La résistance Rg peut être mesurée ou calculée. Pour cela il faut connaître la section du câble utilisé et sa longueur. Il faudra y ajouter la résistance des bobines en série avec le haut-parleur, si le filtre est passif, ainsi que la résistance de sortie de l'amplificateur. Cette valeur Rg est un paramètre qui va directement conditionner le volume de l'enceinte. Entre 0.1Ω et 0.3Ω le volume peut varier de 5%.

En version multi-amplifiée, ce qui est mon cas, aucun filtre ne sera présent entre la sortie de l'amplificateur de basses et le haut-parleur, cette résistance sera souvent inférieure à 0.1Ω.

En version passive elle sera supérieure car au moins une inductance sera placée en série avec le haut-parleur. Une inductance de 2mH peut avoir une résistance de 0.5Ω.

Avant d'entrer dans les calculs il faut déjà avoir une bonne idée de la hauteur de l'enceinte et de l'épaisseur des parois. La petite Onken est fabriquée en aggloméré de 25mm. J'ai choisi pour ma part un MDF de 28mm.

Ensuite on peut recourir à un calculateur en ligne dans lequel on va entrer les paramètres :

http://www.mh-audio.nl/Calculators/Onken.html

On peut également télécharger une feuille de calcul Excel :

http://www.audiodesignguide.com/HiEff/ONKEN_SP-15A-402PA.xls

Cette feuille de calcul permet en outre de fixer la hauteur et la largeur de l'enceinte et d'en déduire la profondeur.
Un des paramètres, la hauteur d'un évent, nécessite un petit calcul :

Ht :  hauteur interne de l'enceinte : 80cm dans mon cas
Wp : épaisseur des parois : 28mm
Wt : épaisseur des tasseaux séparant les évents : 27mm
N : le nombre d'évents : 8

He (hauteur des évents) = (Ht-((N/2-1)*Wt))/(N/2)

J'ai amélioré cette feuille de calcul afin d'automatiser certains calculs :

  • hauteur des évents
  • dimension des panneaux
  • position des tasseaux séparant les évents
  • dimensions et surface des panneaux

En F49 Le calculateur affiche le ratio entre la surface des évents et la surface de la membrane, en vert s'il est supérieur à 70% (c'est un compromis). On peut adopter une valeur différente en modifiant le formatage conditionnel de la cellule (menu Format / Formatage conditionnel / Condition).

En F64 Le calculateur affiche OK en vert si l'espace entre l'arrière de l'évent et la face arrière est supérieur à deux fois la largeur des évents (ici pas de compromis possible).

Travaillant sous Linux, j'ai utilisé LibreOffice. Il est facile de l'exporter sous Excel.

La feuille modifiée est ici :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/onken-cabinet.git

Il faut récupérer le fichier onken-calc.ods (clic droit + "Enregistrer le lien sous ..." 

Le haut-parleur choisi (un DAVIS 31TCA12W dans mon cas) a les paramètres suivants :
  • Fs : 27Hz
  • Re : 6.28Ω
  • Qms : 2.42
  • Qes : 0.32
  • Mms : 41g
  • Sd : 530cm²
  • Rg : 0.1Ω

Le DAVIS 31TCA12W étant un 30cm, fixons la largeur des évents à 27mm. La surface totale des évents sera de 388mm², c'est à dire 73% de la surface de la membrane, ce qui est suffisamment important.

Le calculateur donne ce résultat :

Volume interne : 173 litres
Longueur des évents : 34.5cm
Fréquence de coupure basse : 37Hz
Rendement : 95dB

La recommandation pour une enceinte Onken est de ne pas dépasser une longueur d'évent de 35cm. Notre longueur est à la limite.

On peut faire le choix d'augmenter la largeur des évents afin se rapprocher de la surface de la membrane mais c'est un autre compromis, car dans ce cas la profondeur des évents sera trop importante. On peut aussi augmenter la hauteur de l'enceinte pour augmenter la surface des évents, tout en sachant que pour conserver le même volume la largeur sera diminuée. Avec le calculateur il sera facile de faire ces choix, et obtenir le compromis le moins défavorable.

Si la longueur de l'évent est importante on peut faire deux choix : évent droit ou coudé.

Évent droit : il faudra choisir une profondeur d'enceinte suffisante afin que l'évent ne forme pas de coude. L'arrière de l'évent doit être suffisamment éloigné de la face arrière, d'au moins deux fois la largeur d'évent :

Afin de réduire la profondeur de l'enceinte, on peut couder l'évent. L'évent principal devra se terminer à Xcm (X étant la largeur d'évent) de la face arrière, et on devra ajouter un petit panneau supplémentaire pour l'allonger, on obtiendra ainsi un évent en forme de L :

Il peut arriver que les calculs aboutissent à une impossibilité. Le haut-parleur JBL 30cm CS1204 par exemple, a des paramètres très différents :

  • Fs : 28Hz
  • Re : 3.6Ω
  • Qms : 8.85
  • Qes : 0.57
  • Mms : 180g
  • Sd : 550cm²
  • Rg : 0.1Ω

Le calculateur donne le résultat suivant pour une largeur d'évent de 27mm :

Volume interne : 111 litres
Longueur des évents : 187cm
Fréquence de coupure basse : 22Hz
Rendement : 86dB

On voit bien qu'un évent de 187cm est impossible à caser dans une caisse de 111 litres, ou alors il faudrait réduire la largeur des évents à 5mm, ou couder les évents plusieurs fois. Or, la surface des évents d'une enceinte Onken doit être comprise entre 85% et 100% de la surface de la membrane du haut-parleur, et une grande longueur serait un handicap. Il faudra recourir à une autre solution, enceinte close, pavillon, etc.

La principale cause de cette impossibilité est la masse mobile qui est énorme : 180g pour un haut-parleur de 30cm, alors qu'elle est de 41g dans le cas du DAVIS 31TCA12W. On privilégiera donc pour ce genre de montage un haut-parleur à membrane légère.

4. Les plans

L'étape suivante est la réalisation d'un plan de l'enceinte. J'ai opté pour le logiciel LibreOffice Draw :

Face avant

Vue de dessus
 

Comme on le voit sur ce dessin la largeur des évents est déterminée par l'épaisseur de 6 tasseaux de section carrée.

Cette caisse est relativement simple à fabriquer, à partir du moment où l'on dispose des panneaux déjà découpés.

Les vis d'assemblage des faces avant, arrière, dessus et dessous doivent avoir une longueur suffisante :

  • 40mm pour des panneaux de 22mm
  • 50mm pour des panneaux de 28mm

Les vis d'assemblage des côtés sur les évents doivent être plus longues (il faut ajouter l'épaisseur des tasseaux) :

  • 70mm pour des panneaux de 28mm et des tasseaux de 27mm
  • 100mm pour des panneaux de 28mm et des tasseaux de 50mm

Vissage des côtés et des évents à travers les tasseaux

Il faut compter une vis tous les 200mm.

Avant d'assembler les panneaux, il faut bien entendu percer des trous de 5mm avant de mettre en place les vis, afin d'assurer un serrage optimal. Un petit lamage (fraisage conique) est préférable afin de pouvoir noyer les têtes de vis sans forcer au vissage :

Perçage + lamage

Pour l'assemblage des évents, il faudra percer également les tasseaux.

Les panneaux et les tasseaux doivent être encollés avant assemblage.

Commencer par assembler la face avant et les évents, puis les côtés après avoir positionné et collé avec précision les tasseaux. Ensuite on place la face arrière, et on termine par les panneaux du dessus et dessous.

Certains haut-parleurs se fixent de préférence par l'intérieur de l'enceinte. Il faudra donc que la face arrière soit assemblée en dernier et éviter de la coller, si l'on veut pouvoir la démonter pour changer le haut-parleur. Dans ce cas on peut doubler le nombre de vis afin d'éviter les vibrations.

Les panneaux MDF que j'ai utilisé font 28mm d'épaisseur, et ont des dimensions de 2.50m x 1.22m, c'est à dire une surface de 3.05m². Le revendeur peut procéder à la découpe moyennant un petit supplément.

On devra ajouter les éléments suivants :

  • des tasseaux de section carrée pour les évents, en fonction de la largeur d'évents choisie
  • un tasseau de rigidification de section carrée de 40mm entre face avant et arrière, sous le haut-parleur

Comme cette enceinte est un caisson de basses, l'intérieur du caisson ne sera pas revêtu de matériau amortissant, car les fréquences en jeu sont assez basses pour que l'on puisse s'en passer. La rigidité et le poids par contre sont primordiaux et toutes les précautions doivent être prises : parois épaisses, colle, vis, tasseaux.

Si deux de ces caisson sont utilisée dans une application classique stéréo à 2 ou 3 voies, un matériau amortissant devra recouvrir les parois internes, par exemple de la laine de feutre, ou de la thibaude.

5. Photos

Voici une photo de l'enceinte montée, sans finitions :

Comme pour le caisson 38cm un bornier vissé sur un morceau de parquet stratifié permet d'accueillir le câble de liaison à l'amplificateur :


Il s'agit du même modèle que ceux utilisés pour le caisson précédent : www.audiophonics.fr

Un câble de 2.5mm² est utilisé pour le raccordement au haut-parleur, avec des cosses :

  • fil dénudé côté haut-parleur
  • cosses à œillet Ø4mm côté bornier

6. Mesures

Voici quelques mesures produites à l'aide du logiciel REW, à l'aide d'un micro de mesure Superlux ECM999 placé horizontalement, à 1 mètre du haut-parleur :

Cette première courbe de réponse est celle obtenue par défaut.

Cette deuxième courbe de réponse est celle obtenue en bouchant 2 évents sur les huit. On voit qu'entre 25 Hz et 40Hz le niveau augmente significativement.

Le caisson semble plutôt bien accordé.

Dans les hautes fréquences, à partir d'environ 200Hz la réponse est plutôt accidentée. L'ajout d'un matériau amortissant (thibaude) sur les parois internes permettrait probablement de corriger en grande partie ces défauts.

Mais cela ne me dérange pas dans la mesure ou ce caisson sera utilisé uniquement en restitution de grave, en dessous de 125Hz.

La courbe d'impédance est la suivante :


On voit bien les deux bosses caractéristiques d'un bass-reflex.

7. Conclusion

Le montage de cette enceinte m'a coûté une journée de travail.

Le prix de revient est plus élevé que celui du caisson 38cm :

  • haut-parleur : 358
  • panneau de particules : 62.50€
  • bornier + cosses + câble : 5€

Le total est de 425€, auquel il faudra ajouter une finition. Un pot de laque à 20€ devrait suffire.

J'ai augmenté légèrement le volume du canal basses à l'oreille, car ce haut-parleur a un rendement inférieur au BEYMA (94dB au lieu de 98dB).

Pour une première écoute, j'ai choisi Antonio Vivaldi, Pietà (Stabat Mater), avec Philippe Jaroussky, puis Sweet Smoke, Just a Poke, le morceau Silly Sally qui comporte un solo de batterie légendaire, puis Lou Reed, New Sensations.

Sur certains passages le 30cm Davis est nettement avantagé par rapport au 38cm BEYMA, sans doute grâce à sa membrane beaucoup plus légère. Le grave est très propre, percutant, descend très profondément.

Le lendemain, Georges Benson, dont Irreplaceable & Givin' It Up (avec Al Jarreau), très facile pour commencer, et chauffer le matériel avec de bonnes basses.
Écoute très agréable. Les voix restent très propres, contrairement à ce qui se passait avant (Focal 816S seules).

Miles Davis : l'album Tutu, avec Macus Miller. Cet album m'a toujours résisté, je n'ai jamais été capable de l'écouter jusqu'au bout.
Mais là je dois avouer que je suis bluffé, ça déménage fort, tous les instruments se détachent bien. Petite surbrillance de la trompette toutefois (que j'imagine due aux Focal).
Magistral. J'écoute l'album deux fois !

Ensuite repos avec A Meeting by the River de Ry Cooder et Vishwa Mohan Bhatt. Album magnifique. Relaxation assurée. Pas de grosses sollicitation des basses mis à part quelques percussions indiennes sur "Ganges Delta Blues" (la musique du film Paris Texas). Pas de quoi affoler le 30cm.

Type O Negative : World Coming Down.
Cet album écouté à volume élevé sur les Focal seules tournait vite au foutoir (mais comment écouter cet album en sourdine ?).
La batterie cogne très fort et la basse emplit la pièce, sans impact négatif sur la voix et la guitare. Aucune fatigue auditive, contrairement à ce qui se passait avant.

Vivica Genaux : Arias for Farinelli, a Tribute to Faustina Bordoni. Ce n'est pas le genre de musique que j'écoute à fort volume. Belle présence toutefois des graves, beaucoup de finesse.

Ce caisson me séduit beaucoup, autant par les mesures obtenues que par l'écoute de mes albums préférés.


Cordialement

Henri


vendredi 6 novembre 2020

Casson de Basses 38cm

 

 

Casson de Basses 38cm

Dans un article précédent où je décris un amplificateur 2.1, j'envisageais la réalisation d'un caisson de basses avec un haut-parleur 30cm Gamma. Ce caisson remplacera un JBL CS1204B que j'ai utilisé jusqu'à présent pour tester l'ampli 2.1. J'en espère plus de profondeur dans le grave, plus d'ampleur.

Malheureusement le haut-parleur Gamma est en mauvais état, sa bobine frotte dans l'entrefer.

Je suis donc obligé de rechercher un autre haut-parleur. Le but recherché n'est pas de faire vibrer mon fauteuil avec des infra-basses en regardant des films d'action, mais d'écouter de la musique (opéra, rock, blues, jazz) en donnant de l'ampleur. Une fréquence de coupure basse de l'ordre de 40Hz sera amplement suffisante.

Ceci n'empêchera pas, bien au contraire, de pouvoir regarder des films en bénéficiant d'une qualité sonore haut de gamme, et plus naturelle qu'avec un ampli et un caisson home-cinéma.

D'un point de vue volume je compte me limiter à 200 litres maximum.

Par exemple, avec le Beyma 15MC500 que j'ai choisi la fréquence de coupure basse est de 42Hz pour un volume de 176 litres. On peut bien entendu descendre plus bas dans le grave avec un haut-parleur différent, un BEYMA SM115N par exemple, qui descendra à 38Hz au prix d'un volume plus élevé : 230 litres, ou un RCF L15.554K qui aura besoin de 365 litres pour descendre à 26Hz. En général le Hertz dans le grave coûte cher en volume, à moins de trafiquer la réponse électroniquement, ce que je ne souhaite pas faire.

Comme je ne m'interdis pas par la suite de recourir à un deuxième caisson de basses pour un système tri-amplifié, le haut-parleur doit pouvoir restituer proprement le bas-médium.

Les caissons de basses passifs (non amplifiés) sont rares dans le commerce. Par exemple, le JBL 3635 (photo ci-dessus) propose un haut-parleur de 46cm en bass-reflex, pour un prix de 990€.

Ce que j'envisage de réaliser est un caisson équipé d'un 38cm, pour moins de 300€.

1. Choix du haut-parleur

Dans mon cas, cette enceinte sera utilisée comme caisson de basses unique dans une installation 2.1, en combinaison avec une paire de Focal Cobalt 816S, donc elle recevra uniquement de l'extrême grave, en dessous d'environ 100Hz, mais je ne m'interdis pas une évolution vers un système à deux caissons.

Si l'on envisage une réalisation stéréo avec deux caissons de basses, le choix du haut-parleur sera probablement différent, car il devra traiter des fréquences plus élevées, jusqu'au bas médium, et la fréquence de coupure pourrait facilement se situer au delà de 300Hz, en fonction du haut-parleur de basse et médium utilisés.

Il faut dans un premier temps se fixer une taille de haut parleur qui correspond à ce que l'on désire entreprendre, en fonction de certains facteurs :

  • la qualité
  • la puissance nécessaire
  • le volume de la caisse dépendra fortement du diamètre du haut-parleur
  • les contraintes de coût, de disponibilité
  • la compatibilité avec le WAF (Women Acceptance Factor)

Pour faire son choix il est préférable de consulter les forums, quitte à y déposer une demande.

1.1. Puissance et rendement

Concernant la puissance et le rendement d'un haut-parleur il faut savoir que multiplier par 2 une puissance correspond à ajouter 3dB. Avec un rendement de 3dB supérieur il faudra donc 2 fois moins de puissance pour obtenir un niveau sonore équivalent.

Avec un haut-parleur ayant un rendement de 100dB il faudra seulement 64W pour atteindre un niveau de 118dB, un peu en dessous du seuil de la douleur. Avec un haut-parleur ayant un rendement de 97dB il faudra le double.

J'ai l'année dernière réalisé un carillon de porte MP3 diffusant des sons d'animaux. Pour obtenir la restitution correcte d'un aboiement de chien, après plusieurs essais avec un haut parleur MONACOR 10cm SPH-60X ayant un rendement de 89dB, j'ai adopté un amplificateur de 50W avec une alimentation de 24V. Avec un haut-parleur ayant 10dB de plus de rendement, un amplificateur de 5W aurait été suffisant.

1.2. Le choix

J'ai orienté mes recherches sur des haut-parleurs 38cm, car mon séjour est grand : 40m².

Voici quelques choix possibles chez Thomann, La Vitrine du Haut-Parleur, Tout le Haut-Parleur ou La Maison du Haut-Parleur. Pour chaque modèle la puissance, le rendement, la fréquence de résonance et la masse mobile sont précisés. 

En 25cm (10 pouces) :

  • BEYMA 10BR60V2 (100W, 91dB, 31Hz, 49g)
  • FAITAL 10RS350 (300W, 91dB, 40Hz, 59g)
  • SCANSPEAK 28W.8878T01 (200W, 88.5, 22Hz, 83g)
En 30cm (12 pouces) :
  • Beyma SM112/N (400W, 97dB, 40Hz, 58g)
  • Beyma 12G40 (500W, 97dB, 44Hz, 62g)
  • Davis 31TCA12W (150W, 94dB, 27Hz, 41g)
  • Faital 12FH530 (500W, 98dB, 45Hz, 67g)
  • Fostex FW305 (40W, 95dB, 25Hz, 55g)
  • JBL 2206H (600W, 95dB, 52Hz, 63g)
  • RCF L12L750 (350 W, 101dB, 62Hz, 50g)
  • Supravox 285 GMF (35W, 99.9dB, 47.8Hz, 19.7g)

En 38cm (15 pouces) :

  • Audax PR380M0 (150W, 98dB, 20Hz, 102g)
  • Beyma 15CMV2 (350W, 97dB, 49Hz, 106g)
  • Beyma 15MC500 (500W, 98dB, 46Hz, 99g)
  • Beyma SM115/K (500W, 97dB, 29Hz, 121g)
  • Fostex FW405N 40cm (50W, 92.5dB, 27Hz, 101g)
  • JBL 2226H (600W, 97dB, 40Hz, 99g)
  • RCF L15/554K (600W, 99dB, 35Hz, 91g)

J'ai choisi d'essayer un BEYMA 38cm 15MC500 qui a l'avantage d'offrir une membrane relativement légère pour un haut-parleur de ce diamètre :

Attention aux haut-parleurs Audax. Souvent il existe plusieurs versions pour le même diamètre et il vaut mieux savoir à laquelle on a affaire.Si l'on achète un haut-parleur d'occasion il est préférable de le tester avant de démarrer la fabrication. Il suffit de lui appliquer un signal sinusoïdal de fréquence fixe. On peut brancher un amplificateur sur la sortie ligne d'un PC et utiliser un générateur en ligne :

https://onlinetonegenerator.com/

On peut utiliser une fréquence de 5 à 10Hz et une puissance suffisante pour faire remuer suffisamment la membrane, afin de vérifier que la bobine ne frotte pas dans l'entrefer. Cela peut arriver avec un haut-parleur ayant été maltraité.

2. Calculs

Tout d'abord il faut vérifier que les paramètres du haut-parleur choisi sont compatibles avec le type d'enceinte visé. Pour cela il faut obligatoirement disposer de ces paramètres. Ces paramètres se nomment "Paramètres de Thiele & Small". On peut facilement en trouver leur signification comme par exemple ici :

https://www.toutlehautparleur.com/parametres-thiele-and-small

Voici un résumé :

  • Fs : fréquence de résonance
  • Re : résistance de la bobine
  • Qms : facteur de qualité mécanique du haut-parleur à sa Fs
  • Qes : facteur de qualité électrique du haut-parleur à sa Fs
  • Mms : masse mobile en grammes
  • Sd : surface de la partie émissive de la membrane
  • Rg : résistance du câblage et filtre

Dans le cas où l'on ne parvient pas à trouver ces paramètres cette base de données peut être d'une aide appréciable.

La résistance Rg peut être mesurée ou calculée. Pour cela il faut connaître la section du câble utilisé et sa longueur. Il faudra y ajouter la résistance des bobines en série avec le haut-parleur, si le filtre est passif, ainsi que la résistance de sortie de l'amplificateur. Cette valeur Rg est un paramètre qui va directement conditionner le volume de l'enceinte. Entre 0.1Ω et 0.3Ω le volume peut varier de 5%.

En version multi-amplifiée, ce qui est mon cas, aucun filtre ne sera présent entre la sortie de l'amplificateur de basses et le haut-parleur, cette résistance sera souvent inférieure à 0.1Ω.

En version passive elle sera supérieure car au moins une inductance sera placée en série avec le haut-parleur. Une inductance de 2mH peut avoir une résistance de 0.5Ω.

Avant d'entrer dans les calculs il faut déjà avoir une bonne idée de la hauteur de l'enceinte et de l'épaisseur des parois. J'ai choisi pour ma part un aggloméré hydrofuge de 28mm.

Ensuite on peut recourir à un calculateur (feuille Excel) dans lequel on va entrer les paramètres :

http://francis.audio2.pagesperso-orange.fr/Calcul_Bass-Reflex.xls 

J'ai amélioré cette feuille de calcul afin d'automatiser le calcul des dimensions de l'enceinte et des panneaux à découper (voir onglet "Évents circulaires").

Travaillant sous Linux, j'ai utilisé LibreOffice. Il est facile de l'exporter sous Excel.

La feuille modifiée est ici :

https://bitbucket.org/henri_bachetti/bass-reflex-cabinet.git

Il faut récupérer le fichier Calcul_Bass-Reflex-BEYMA-15MC500.ods (clic droit + "Enregistrer le lien sous ..." 

Le haut-parleur choisi (un BEYMA 38cm 15MC500 dans mon cas) a les paramètres suivants :
  • Fs : 46Hz
  • Vas : 131.5
  • Re : 5.7Ω
  • Qms : 8
  • Qes : 0.49
  • Mms : 99g
  • Sd : 880cm²
  • Rg : 0.1Ω

Sa courbe de réponse ne présente pas d'accident important jusqu'à 1000Hz. Il pourra donc aussi être utilisé en tant que haut-parleur grave-médium dans une enceinte classique 3 voies.

Le calculateur donne ce résultat :

Volume interne : 176 litres
Évents : 2 tubes de Ø100mm x 23cm
Fréquence de coupure basse : 42Hz

Si la longueur de l'évent est importante on peut faire deux choix : évent droit ou coudé.

Évent droit : il faudra choisir une profondeur d'enceinte suffisante. L'arrière de l'évent doit être suffisamment éloigné de la face arrière, d'au moins deux fois le diamètre des évents.

Afin de réduire la profondeur de l'enceinte, on peut couder l'évent.

Il est important de faire ces calculs avant d'acheter un haut-parleur, afin de faire un choix compatible avec ses besoins, surtout en ce qui concerne le volume et la fréquence de coupure basse.

3. Les plans

L'étape suivante est la réalisation d'un plan de l'enceinte. J'ai opté pour le logiciel LibreOffice Draw :

Comme on le voit la profondeur des panneaux haut et bas est de 1.5cm supérieure à celle des côtés, afin de pouvoir éventuellement fixer une grille de protection, un cadre sur lequel sera tendu un tissu jersey par exemple.

Cette caisse est relativement simple à fabriquer, à partir du moment où l'on dispose des panneaux déjà découpés.

Il faut prévoir des vis de 5mm de longueur suffisante. Les vis d'assemblage des faces avant, arrière, dessus et dessous doivent avoir une longueur suffisante :

  • 40mm pour des panneaux de 22mm
  • 50mm pour des panneaux de 28mm
Il faut compter une vis tous les 200mm.

Avant d'assembler les panneaux, il faut bien entendu percer des trous de 5mm avant de mettre en place les vis. Un petit lamage (fraisage conique) est préférable afin de pouvoir noyer les têtes de vis sans forcer au vissage :

Perçage + lamage

Les panneaux doivent être encollés avant assemblage.

Commencer par assembler la face avant et arrière avec un côté, ensuite l'autre côté, et terminer par les panneaux du dessus et dessous.

Certains haut-parleurs se fixent de préférence par l'intérieur de l'enceinte. Il faudra donc éviter de coller la face arrière, si l'on veut pouvoir la démonter pour changer le haut-parleur. Dans ce cas on peut doubler le nombre de vis afin d'éviter les vibrations.

Le panneau que je compte utiliser fait 28mm d'épaisseur, et a des dimensions de 2.50m x 1.25m, c'est à dire une surface de 3.12m². Il a un poids de 56Kg et va être difficile à transporter. Le revendeur peut procéder à la découpe moyennant un petit supplément.

On ajoutera un tasseau de rigidification de section carrée de 40mm entre face avant et arrière, sous le haut-parleur

Comme cette enceinte est un caisson de basses, l'intérieur du caisson ne sera pas revêtu de matériau amortissant, car les fréquences en jeu sont assez basses pour que l'on puisse s'en passer. La rigidité et le poids par contre sont primordiaux et toutes les précautions doivent être prises : parois épaisses, colle, vis, tasseaux.

Si deux de ces caisson sont utilisée dans une application classique stéréo à 2 ou 3 voies, un matériau amortissant devra recouvrir les parois internes, par exemple de la laine de feutre, ou de la thibaude.

4. Photo

Voici une photo de l'enceinte montée, sans finitions :

 

Les évents sont réalisés dans un tube PVC de Ø100mm.

A l'arrière de l'enceinte un bornier vissé sur un morceau de parquet stratifié permet d'accueillir le câble de liaison à l'amplificateur :


Il s'agit du même modèle que ceux utilisés pour l'amplificateur : www.audiophonics.fr

Un câble de 2.5mm² est utilisé pour le raccordement au haut-parleur, avec des cosses :

  • cosses à sertir 6.35mm côté haut-parleur
  • cosses à œillet Ø4mm côté bornier

5. Conclusion

Le montage de cette enceinte m'a coûté une demi-journée de travail.

Le prix de revient est relativement peu élevé :

  • haut-parleur : 153€, port compris
  • panneau de particules : 62.50€
  • bornier + cosses + câble : 5€
  • tube PVC Ø100mm : 3€

Le total est de 223.50€, auquel il faudra ajouter une finition. Un pot de laque à 20€ devrait suffire.

Il reste à procéder aux ultimes réglages :

  • ajustement de la longueur des évents
  • réglage du volume du canal basses de l'amplificateur
J'ai d'abord diminué légèrement le volume du canal basses à l'oreille, car ce haut-parleur a un rendement supérieur au précédent (98dB au lieu de 90dB).

Pour une première écoute, comme pour l'amplificateur 2.1, j'ai choisi un Opéra de Mozart, Don Giovanni. L'impression est plutôt positive, le grave est ferme, précis, beaucoup plus profond qu'avec le caisson JBL CS1204B.

Une écoute à volume élevé confirme qu'un caisson de basses est un bon moyen de soulager une paire d'enceintes équipées de haut-parleurs de petit diamètre, 17cm dans le cas de mes Focal Cobalt 816S.

Je vais avant tout roder les haut-parleurs pendant une centaine d'heures avant de procéder aux réglages et à des écoutes plus sérieuses.

En écoute domestique ce Beyma 15MC500, avec ses 500W et 98dB de rendement peut paraître surdimensionné, mais il remplit parfaitement son rôle, même à faible volume. C'est vrai qu'avec mon amplificateur de basses de 100W je le chatouille à peine.


Cordialement

Henri