Audio : Caisson de basses ONKEN

 

Audio : 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 :

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