Audio : Les Filtres Actifs Analogiques
Cet article tente d'aborder la problématique de la multi-amplification en audio, à l'aide de filtres actifs analogiques.
1. Le principe de la multi-amplification
Voici le principe d'une multi-amplification :
Ici trois voies sont représentées, mais plusieurs configurations sont possibles :
- 1 voie stéréo + caisson de graves
- 2 voies stéréo avec ou sans caisson de graves
- 3 voies stéréo avec ou sans caisson de graves
Théoriquement chaque haut-parleur est piloté par un amplificateur dédié, mais il est bien entendu possible de mixer les solutions, par exemple conserver un filtre passif entre médium et aigus, et adopter un filtre actif entre voie grave et médium-aigus.
Est-il possible d'ajouter un filtre actif à un système audio existant ? Oui, à partir du moment où l'amplificateur propose une sortie préamplificateur et une entrée amplificateur de puissance. Le filtre actif vient dans ce cas s'intercaler entre le préamplificateur et l'amplificateur de puissance. C'est souvent le cas, même pour des amplificateurs intégrés comme mon petit ROTEL RA02.
A l'aide d'un filtre actif il est tout à fait possible d'ajouter un caisson de graves à une paire d'enceintes du commerce, sans les modifier, et en conservant son amplificateur de puissance, en ajoutant simplement un filtre actif et un amplificateur mono : le système devient donc un 2.1.
Il est également possible de fabriquer une paire d'enceintes 2 ou 3 voies et d'ajouter un filtre actif avec 2 ou 3 amplificateurs pour piloter le tout, avec éventuellement un caisson de graves et son amplificateur mono.
Si l'on ne se sent pas trop à l'aise dans le domaine de la construction d'enceintes, de nombreux kits d'enceintes existent sur le marché, qu'il s'agisse de kits complets, avec ou sans ébénisterie, avec ou sans filtre :
Il est souvent possible d'acheter les haut-parleurs seuls, sans filtre passif. Sur une paire d'enceintes 3 voies il n'est pas rare que le filtre passif coûte plus de 300€ la paire. Cet argent pourra être investi plus intelligemment dans un système multi-amplifié, composé d'un filtre actif et de quelques petits amplificateurs de puissance, qui coûtent une centaine d'euros chacun si on les réalise soi-même à partir de cartes toutes faites :
Amplificateur STA508 classe T 2x50W
Amplificateur Stéréo LM3886 2x40W
Amplificateur mono TAS5630 classe D 150W
1.1. Avantages de la multi-amplification
Quels avantages peut-on tirer de la multi-amplification ?
1.1.1. Filtres passifs génériques
Commençons par tordre le cou à une idée reçue.
Il existe dans le commerce des filtres passifs dit génériques, censés pouvoir convenir à la réalisation d'enceintes DIY, à partir du moment où les fréquences de coupure sont bien choisies.
Ne rêvons pas, un filtre ne se calcule pas isolément en considérant que le haut-parleur est une charge simple de 4Ω ou 8Ω. Un haut-parleur est une charge complexe, et celle-ci est encore plus complexe si on lui adjoint un filtre passif. Ce genre de filtre ne peut convenir qu'à des réalisations bas de gamme.
Le calcul d'un filtre passif est une opération qui nécessite des calculs complexes, et une connaissance parfaite des haut-parleurs choisis.
1.1.2. Pente des filtres
Avec un filtre actif, il est possible d'obtenir des pentes de filtre bien supérieures (24dB/oct), et ceci pour un coût très raisonnable. Obtenir une fréquence de coupure très basse de l'ordre de la centaine de hertz est pratiquement impossible à obtenir à l'aide de filtres passifs, car plus la fréquence de coupure est basse, plus les condensateurs et inductances deviennent encombrants et chers.
1.1.3. Rendement et facteur d'amortissement
Ensuite, la mise en série avec un haut-parleur d'inductances de forte valeur diminue son rendement, et la résistance des inductances diminue le facteur d'amortissement du haut-parleur. Or, plus ce facteur est grand, plus l’ampli maîtrise les haut-parleurs, spécialement dans le bas du spectre. Avec une ou deux inductances en série avec un woofer, les fréquences graves risquent d'en pâtir fortement, et devenir molles.
La multi-amplification permet de réduire les liaisons entre l'amplificateur et le haut-parleur à sa plus expression : un câble.
Mes enceintes sont reliées à l'amplificateur à l'aide de ce câble :
SOMMERCABLE SC-ORBIT 240 MKII Câble Haut-parleur Cuivre OFC 2x4mm²
Sa résistance totale est de 0,022Ω (longueur de 2.50m x 2), valeur qui n'a rien à voir donc avec celle d'une inductance. Par exemple une inductance très haut de gamme MUNDORF VL300 de 6.8mH à 300€ construite à l'aide de fil de 3mm a une résistance de 0.29Ω, une valeur 13 fois supérieure !
Avec un filtre actif, il sera possible d'utiliser des haut-parleurs ayant des rendements ou des impédances très différents, en ajustant le niveau de chaque amplificateur. En passif, c'est difficilement réalisable, mis à part en abaissant le rendement de certains haut-parleurs à l'aide de ponts diviseurs à résistances, une catastrophe pour le facteur d'amortissement.
1.1.5. Interchangeabilité des haut-parleurs
En filtrage actif, il sera possible de changer un haut-parleur pour un autre modèle, à partir du moment où les fréquences de coupure du filtre restent inchangées. Seul le niveau d'entrée de l'amplificateur devra être modifié, si les rendements sont différents.
Si les fréquences de coupure sont différentes, il faudra les modifier. C'est facile sur un filtre actif réglable, beaucoup moins sur un modèle équipé de modules interchangeables.
Cela ouvre la voie à de multiples séances de comparaison, afin de juger de la qualité de plusieurs haut-parleurs ou de caissons.
1.1.6. Coût
Prenons un exemple, pour un filtre à 18dB/oct et une fréquence de coupure de 300Hz :
Si l'on choisit des composants de qualité (inductances faites à partir de fil de section importante et condensateur polypropylène) le coût sera élevé :
- C1 : 44µF (10€)
- C2 : 130µF (25€)
- C3 : 88µF (18€)
- L1 : 3.2mH (70€)
- L2 : 6.4mH (100€)
- L3 : 2.1mH (52€)
Le filtre coûte au bas mot 275€ par enceinte, 550€ au total ! Et ce n'est qu'un filtre à deux voies.
Plus les fréquences de coupure sont basses, plus les valeurs d'inductances et capacités augmentent. On comprend vite que pour un filtre de caisson de graves à 100Hz les composants auront des valeurs 3 fois plus importantes et le coût sera prohibitif.
En comparaison, un amplificateur stéréo DIY coûte environ 50€ à 150€, un filtre actif environ 80€ à 150€ en fonction du nombre de voies et de la qualité désirée. On constate rapidement que le coût total d'une solution active peut être inférieur à celui d'une solution passive, et que la qualité sera probablement supérieure.
1.2. Nombre de voies
1.2.1. Caisson de graves
On peut vouloir renforcer les graves d'une paire d'enceintes existantes en ajoutant un ou deux caissons de graves.
Dans le cas d'un caisson de graves unique, la fréquence de coupure sera très basse, environ 80Hz à 100hz, car en deçà de cette fréquence, l'effet stéréo est peu marqué.
Si l'on adopte deux caissons de graves, la fréquence de coupure pourra être plus élevée, de l'ordre de 300Hz, sans excéder 500Hz. Peu de haut-parleurs de grave de grand diamètre savent reproduire des fréquences supérieures avec bonheur.
1.2.2. Réalisation d'enceintes DIY
Si l'on a en tête une réalisation d'enceintes maison, le choix est vaste, en 2 ou 3 voies, avec ou sans caisson(s) de graves.
Le choix des fréquences de coupure est un vaste sujet, qui ne peut se faire sans examiner en profondeur les spécifications des haut-parleurs. Il est souvent plus judicieux de s'inspirer d'un kit existant, ou d'enceintes existantes pour choisir ses haut-parleurs.
Avec un système multi-amplifié, on n'aura pas trop à se préoccuper du rendement de chaque haut-parleur par rapport aux autres. On pourra mieux se concentrer sur les aspects essentiels : bande passante, directivité et distorsion.
Pour ma part, depuis de nombreuses années, je suis un partisan des systèmes basés sur une paire d'enceintes principales classiques, à deux ou trois voies, accompagnée d'un caisson de graves unique. Cela permet de soulager les enceintes principales du travail de restitution des fréquences très basses, qui provoquent des déplacements de membrane importants à volume élevé et des distorsions d'intermodulation dans le médium.
1.3. Le DSP
A l'heure des DSP il peut paraître ridicule d'adopter un filtre analogique, mais à mon sens, s'il est bâti à l'aide de composants de qualité, un filtre analogique peut être supérieur en qualité.
Un DSP convertit le signal analogique en valeurs numériques à l'aide d'un ADC, applique un filtrage numérique sur chaque voie, et reconvertit ensuite chaque voie en signaux analogiques à l'aide d'un DAC.
Que se passe t'il sur une écoute à volume réduit ? Les signaux analogiques ont une amplitude faible, ils sont donc convertis par l'ADC en utilisant un nombre de bits restreint, donc loin de la pleine échelle, et la précision en souffre. Il en résulte forcément une distorsion relativement importante, mais également du bruit en sortie (le fameux souffle). On ne compte plus les acheteurs de DSP se plaignant de bruit important.
Le bruit en sortie va dépendre du niveau d'écoute. Plus l'ADC travaillera sur des signaux d'amplitude importante, plus ce bruit sera inaudible.
On peut pallier à ce problème en augmentant fortement le niveau du signal à l'entrée du DSP pour le faire travailler le plus près possible de la pleine échelle, et en réduisant celui-ci à l'entrée des amplificateurs. L'écoute à fort volume sera donc impossible, mais cela peut satisfaire certaines personnes.
On peut également écouter à fort volume en permanence, comme en sonorisation professionnelle, mais est-ce une solution adaptée à tous les cas?
2. Le choix du filtre
J'ai choisi de parler uniquement des filtres actifs du type Linkwitz-Riley, dont la réputation n'est plus à faire.
On trouve énormément de documentation à leur sujet sur le WEB :
https://www.linkwitzlab.com/filters.htm
2.1. L'état du marché
2.1.1. Les cartes
Malgré leur côté un peu désuet, on trouve beaucoup de réalisations commerciales de ces filtres Linkwitz&Riley, à deux voies ou trois voies, preuve qu'il existe un marché d'amateurs inconditionnels :
Sur Ebay :
KMTECH est à ma connaissance le seul fournisseur proposant un filtre 2.1 à son catalogue :
Certains fabricants de cartes ont une approche très intéressante :
Sur cette carte mono 3 voies haut de gamme (elle utilise des AOP OPA1654 et des condensateurs polypropylène), les fréquences de coupure peuvent être modifiées en changeant deux modules enfichables :
https://www.xkitz.com/products/linkwitz-riley-3-way-active-crossover-fully-assembled-xover-3
https://www.xkitz.com/products/linkwitz-riley-2-way-active-crossover-fully-assembled-xover-2
Le seul inconvénient de ces cartes est qu'elles ne disposent pas de sortie pour un caisson de graves unique, ce qui est normal étant donné que ce sont des cartes mono. Pour un bricoleur expérimenté il sera néanmoins possible s'ajouter un étage mixer, permettant de mélanger les voies droite et gauche.
2.1.2. Les produits complets
On trouve également des produits complets, en boîtier :
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| Behringer CX2310 Super X Pro V2 : 84€ Stéréo 2 voies ou mono 3 voies |
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DBX 223 Xs : 198€ Stéréo 2 voies ou mono 3 voies |
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| DBX 234 Xs : 249€ Stéréo 2 ou 3 voies |
Ces appareils proposent des entrées et sorties XLR symétriques, mais on peut les câbler en asymétrique, ce qui permet de les intégrer dans un système audio asymétrique, à l'aide de câbles XLR RCA (voir 5. annexe).
De simples potentiomètres sont utilisés en lieu et place des résistances de précision du filtre. La précision d'un potentiomètre est de +/-20% en général, +/-10% pour les meilleurs. Il serait très étonnant qu'un potentiomètre puisse remplacer des résistances fixes à 1%.
- NJM4580 (Behringer), spécial audio
- TL074 (DBX), plutôt bas de gamme, ce qui semble étonnant de la part de cette marque
L'utilisation de TL074, datant de 1978, dans un DBX 234 n'est pas un gage de qualité. Ils ne sont pas spécialement dédiés à une utilisation audio.
Le NJM4580 est bien supérieur, autant d'un point de vue bruit que d'un point de vue distorsion.
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| Sublime Acoustic K231 : 543€ |
Le K231 de Sublime Acoustic a des avantages indéniables :
- symétrique ou asymétrique
- condensateurs polypropylène
- amplificateurs opérationnels de qualité Burr-Brown OPA1644
- mélangeur optionnel pour un caisson de graves unique
C'est certainement un des meilleurs choix du marché. Il est relativement cher, mais le prix me semble justifié.
2.1.3 Customisation de produits du commerce
Afin de gagner en qualité, certains amateurs vont jusqu'à remplacer les AOP TL074 du DBX 234 Xs par des OPA1644, et les condensateurs polyester des filtres par des modèles polypropylène.
Cela peut être intéressant si l'on possède déjà un filtre actif et que celui-ci est aisément modifiable, mais modifier un filtre actif neuf n'est probablement pas une solution financièrement intéressante, et de plus cela suppose la perte de la garantie constructeur.
3. Audiophile ou idio(t)phile ?
Je tiens à mettre en garde les lecteurs sur certains points.
3.1. Amplis opérationnels
Les adeptes de la HI-FI ésotérique n'hésitent pas à utiliser des amplificateurs opérationnels (AOP) BURSON ou AUDIO-GD à plus de 100€ l'exemplaire, que ce soit dans le but de remplacer les AOP de produits existants ou de fabriquer leurs propres produits audio. A chacun sa religion, le délire audiophile, ou idio(t)phile, ne fait pas partie de mes pathologies.
Ils pourront au passage regarder cette vidéo de JipiHorn :
3.2. Liaisons asymétriques ou symétriques
Parlons également des liaisons par câble symétrique, de plus en plus à la mode en HI-FI. En sonorisation, les micros sont équipés de câbles symétriques, et d'une prise XLR, ou JACK TRS. Le reste du matériel, jusqu'aux amplificateurs, utilisent ces liaisons symétriques. D'une part, les prises XLR sont mécaniquement à la hauteur des enjeux de la sonorisation (démontage, remontage fréquents), d'autre part la liaison symétrique, sur un micro de scène apporte un réel gain en matière d’immunité au bruit, car les câbles sont souvent longs et les signaux transportés très faibles (quelques mV).
Qu'en est-il en HI-FI ? Que viennent faire ces liaisons symétriques dans un environnement domestique très peu bruité, où l'on n'utilise pratiquement jamais de micros ? Le système audio HI-FI reste souvent branché de la même façon très longtemps, sauf en cas de déménagement. La prise XLR n'a donc aucun intérêt.
Le seul intérêt que l'on puisse avoir à utiliser des liaisons symétriques est de pouvoir intégrer des composants de sonorisation professionnels (amplificateurs, enceintes de monitoring amplifiées, filtres actifs, etc.) souvent dépourvus de prises RCA. Mais cela impacte toute la chaîne, préamplificateurs et sources compris, à moins de conserver des éléments HI-FI avec prises RCA, jusqu'au préamplificateur, et de symétriser juste avant d'attaquer les éléments de sonorisation équipés de prises XLR :
- à l'aide d'une carte électronique
- à l'aide d'un transformateur
- à l'aide de câbles RCA vers XLR (voir 5. annexe)
Pour ceux qui ne jurent que par les liaisons symétriques la marque XKITZ vend des cartes :
Active Crossovers, Amplifiers and Bi-Amplifiers
Il y également le Behringer CX2310 Super X Pro V2, ou les DBX 223 Xs et DBX 234 Xs, ou le Sublime Acoustic K231, cités plus haut.
4. Liens utiles
Un article en anglais qui parle des avantages de la multi-amplification :
Making the Case for Active Crossovers vs. Passive
5. Annexe
Comment câbler les entrées et sorties d'un équipement XLR en asymétrique.
D'après ChatGPT :
Pour raccorder l'appareil avec des équipements asymétriques (comme du matériel Hi-Fi grand public en RCA), il faut adapter le câblage de la prise XLR :
Pour une entrée sur le CX2310 (depuis une source RCA) :
- relier le point chaud (âme de la RCA) à la broche 2 du XLR.
- relier la masse (tresses de la RCA) aux broches 1 et 3 reliées ensemble (court-circuit de la masse et du point froid) sur le connecteur XLR.
Pour une sortie du CX2310 (vers un ampli en RCA) :
- relier le point chaud de la RCA à la broche 2 du XLR.
- relier la masse de la RCA à la broche 1 du XLR.
- attention : Il est recommandé de ne pas ponter les broches 1 et 3 du côté de la sortie XLR pour éviter de court-circuiter l'étage de sortie électronique
Cordialement
Henri
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