Subwoofer

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Subwoofer JBL monté dans un caisson de grave

Un subwoofer[1], familièrement abrégé en « sub » dans le langage courant, est un haut-parleur destiné à la reproduction des fréquences sonores les plus basses du spectre audio.

Par synecdoque (amalgame), les termes « subwoofer » et « sub » désignent aussi l'enceinte acoustique dans laquelle un tel haut-parleur est monté alors qu'on devrait parler de « caisson de grave ou de basses»[2]. Ce type d'enceinte acoustique est présent sur de très nombreux équipements audio (par exemple les systèmes dits 2.1, 4.1, 5.1, 7.1, etc., le .1 signifiant qu'un canal est spécialisé et contenant un registre de fréquence de basses fréquences, voir LFE) allant du système multimédia pour PC jusqu'aux systèmes pour concerts de grande ampleur en passant par le cinéma, le cinéma maison (home cinema) et la haute fidélité.

Histoire et concept[modifier | modifier le code]

Dès les débuts de l'utilisation des haut-parleurs pour reproduire le son, on s'est rendu compte que les différentes parties du spectre sonore exigeaient des transducteurs aux caractéristiques spécifiques, spécialisées vis à vis de la bande passante à recouvrir. C'est ainsi qu'on en est arrivé au principe d'enceinte acoustique à deux, trois voies ou plus, une voie étant constituée d'un haut-parleur dédié à une partie du spectre sonore. Dans la pratique, la restitution du grave s'est vite révélée la plus épineuse. Quantité de solutions ont été proposées mais leur évaluation a toujours été difficile en raison de l'interférence avec l'acoustique des salles et, en particulier, des salles de dimensions réduites et/ou non traitées acoustiquement parlant[3].

Le système Bose Acoustimass original de 1987

Au niveau grand public, une étape a été franchie lorsque Bose a présenté son système Acoustimass AM-5 en 1987[4] : conçu pour s'adapter aux équipements de l'époque, ce système réunissait un unique caisson pour la restitution du grave et deux ensembles de petites enceintes, pour le reste du spectre sonore. Son principe reposait sur l'idée que les sons graves sont pratiquement impossibles à localiser (en) (la fréquence de perception dépend énormément de l'acoustique du lieu et du filtrage passe bas appliqué sur le subwoofer). Il est donc possible, dans ce registre, de restituer les deux canaux de la stéréo avec une seule enceinte acoustique dont l'emplacement dans le local d'écoute n'est pas critique. On gagne ainsi en encombrement mais aussi en souplesse d'installation, deux points essentiels pour les équipements domestiques.

Si ce système a été très critiqué par les puristes de la haute fidélité, il a connu un succès d'autant plus évident que son principe a été très largement repris par bon nombre de concurrents et étendu à d'autres domaines que l'écoute domestique. Par exemple, au cinéma depuis la fin des années 70 et pour la sonorisation, chez HK Audio avec ses systèmes "LUCAS". Ces systèmes sont souvent qualifiés de "triphoniques" car ils utilisent trois enceintes acoustiques (un caisson de grave et deux petites enceintes généralement baptisées "satellites" car indissociables du caisson) mais il s'agit naturellement d'ensembles offrant une restitution binaural (à ne pas confondre avec stéréophonique). Leur principe est aussi très largement exploité pour les systèmes multicanaux home cinéma ou multimédias avec en 5.1, typiquement, un caisson de grave, 3 frontales et au moins 2 enceintes surrounds.

Le système Bose Acoustimass original et les réalisations concurrentes utilisaient un filtrage passif entre le caisson et les satellites car ils étaient adaptés à l'équipement le plus courant à cette époque : l'amplificateur stéréo haute fidélité. Par la suite, les constructeurs sont peu à peu passés au filtrage électronique, le caisson disposant de son amplification propre : le caisson de grave (ou "sub") moderne était né. Les systèmes multimédias (et certains systèmes home cinéma) voient même le caisson intégrer l'ensemble de l'amplification et des filtres nécessaires au caisson et aux satellites ce qui en fait des systèmes compacts appréciés des utilisateurs n'ayant que peu d'espace à leur allouer. C'est ainsi qu'on différencie les enceintes passives, des enceintes à amplification actives ou encore à filtrage et amplification actives.

Plage de fréquences d'utilisation[modifier | modifier le code]

Système multimédia Bose 2.1

Les caissons de grave et subwoofers ont une prédisposition à reproduire uniquement les fréquences graves (sous 200 Hz), ceux où la localisation d'une source sonore est impossible ou très peu sensible. Leur fréquence de coupure haute dépend de leur conception et de la réponse des enceintes principales qui doivent prendre le relais pour la restitution du reste du spectre sonore. Il s'agit évidemment d'éviter un "trou" ou une "bosse" dans la réponse globale du système. Par exemple, un petit système multimédia verra son caisson de grave utilisé jusqu'à 160 Hz tandis qu'un système home cinéma de bonne taille ne l'utilisera que jusqu'à 80 Hz voire plus bas encore.

Typiquement, un caisson de grave sera utile pour les fréquences comprises entre 30/40 Hz et sa fréquence de coupure haute (par filtrage) tandis que les modèles les plus ambitieux voient leur réponse s'étendre vers le bas parfois sous 20 Hz. Dans la pratique, la plupart des musiques ne descendent guère en dessous de 30 Hz même si on a l'habitude de citer le cas de certains orgues, des musiques électroniques voire du piano[5]. Le cas semble un peu différent avec les bandes sonores de certains films faisant un usage important de bruitages (explosions, véhicules roulants ou volants, etc.). Certains passionnés cherchent à reproduire les fréquences les plus basses du spectre sonore voire à étendre cette réponse dans le domaine infrasonore.

Les passionnés souhaitent parfois faire une distinction entre "infra-grave", "sous-grave" et grave. Cela n'a pas beaucoup de sens dans la mesure où toutes les fréquences sont restituées, le plus souvent, par un même équipement bien que des différences existent au niveau de la perception des fréquences les plus basses. En effet, il faut tenir compte du fait que la notion de spectre sonore audible (traditionnellement 20 Hz - 20 kHz) est loin d'être aussi simple qu'il y paraît. L'audibilité d'une fréquence sonore dépend beaucoup de son niveau et il n'existe pas de limites franches des fréquences audibles mais une difficulté progressive à les percevoir au fur et à mesure qu'elle diminue (dans le cas qui nous occupe). Ainsi des fréquences très inférieures à 20 Hz peuvent être perçues et des normes concernant la mesure des infrasons ont été mises en place comme en atteste un article de la revue Acoustique et Techniques publié par l'INRS[6]. Il reste à déterminer si les équipements disponibles peuvent diffuser des infrasons à un niveau suffisant pour être audibles ou sensibles ce qui n'est pas acquis (voir les courbes isosoniques pour complément d'information).

Domaines d'utilisation[modifier | modifier le code]

Multimédia[modifier | modifier le code]

Le multimédia, principalement le système audio accompagnant un ordinateur personnel, est un domaine où le caisson de grave connait une très large diffusion. En effet, il est primordial qu'un tel système reste de faible encombrement et la formule associant deux petits satellites à un caisson de grave s'est vite imposée comme étant la seule à permettre une restitution qui s'étende dans le grave sans envahir l'espace disponible. Typiquement, les systèmes disponibles sont constitués de satellites une ou deux voies de taille réduite à poser sur le bureau et d'un caisson de grave à poser au sol, sous le bureau où l'espace est généralement sous-utilisé. Ces systèmes sont bi-amplifiés (parfois tri-amplifiés en haut de gamme) avec évidemment un filtrage électronique entre caisson et satellites ce qui permet d'offrir un réglage de niveau relatif du caisson afin d'adapter le rendu sonore à l'acoustique du local et aux goûts de l'utilisateur. Toute l'électronique est logée dans le caisson et les commandes sont situées soit sur un des satellites soit un boîtier de commande. Certains systèmes disposent d'une télécommande infrarouge. La fréquence de recouvrement avec les satellites est typiquement de 120 à 160 Hz. La fréquence de coupure basse (autrement dit l'étendue de la réponse dans le grave) est très variable puisqu'elle va de 30 à 80 Hz environ suivant les ambitions du système. Notons que pour reproduire du grave ce qui importe en premier est la capacité du transducteur à "brasser" de l'air, ce qui explique que les transducteurs utilisés dans les caissons de graves ont soit de forts diamètres et/ou de fortes élongation.

Réponse par tiers d'octave d'un caisson de grave multimédia

Outre les systèmes binauraux, il existe des équipements multimédias multicanaux. Le but est naturellement de restituer les bandes sonores de films (codage Dolby Digital ou DTS) mais aussi d'offrir un son immersif pour les jeux et toutes les applications de réalité virtuelle. La configuration typique est basée sur un système 5.1 mais des ensembles 7.1 ont été commercialisés par des marques comme Creative. Les contraintes d'installation augmentant avec le nombre d'enceintes acoustiques, ces systèmes ne connaissent qu'un succès modéré et la plupart des systèmes 7.1 ont disparu du marché.

Les ordinateurs portables, où la place disponible pour loger des haut-parleurs est des plus réduite, font (dans le haut de gamme) souvent appel à une sorte de caisson de grave miniature afin d'étendre un peu la réponse vers le bas du spectre. Même si les contraintes de taille limitent fortement les performances d'un tel système, le résultat sonore global s'en trouve sensiblement amélioré. Cette formule est également utilisée par bon nombre d'équipements audio nomades. Ces systèmes miniaturisés font souvent appel à un traitement numérique du signal générant des harmoniques des fréquences les plus basses pour améliorer le résultat subjectif[7].

Caractéristiques des transducteurs[modifier | modifier le code]

Subwoofer pour installation automobile JBL 1200GTI (12 pouces / 30 cm)

Ce genre de haut-parleur possède un moteur magnétique associé à une membrane relativement lourde (permettant d'abaisser la fréquence de résonance). Ensuite la conception du flux magnétique, la raideur de la suspension et d'autres paramètres viendront influencer le coefficient de qualité totale (QTS, qui est lié à QMS et QES), permettant ainsi d'optimiser le coefficient de surtension en fonction de la charge (le coffret/la caisse) retenue. La sensibilité en général diminue lorsque FS diminue ou QTS augmente, à moins d'augmenter le diamètre de la membrane pour compenser. Les principales limitations qui interviennent sont au nombre de 2 :

- Les limites mécaniques, car plus on descend bas en fréquence plus le débattement augmente, les haut parleurs possèdent un Xmax (définit suivant plusieurs manière chez les constructeurs), qui grosso-modo détermine l'élongation selon laquelle le comportement du HP reste linéaire (maintien du flux magnétique vis à vis de la bobine et/ou pourcentage de distorsion engendré : 1%, 5% ... 10%). Intervient ensuite le Xmech ou Xlimit qui lui détermine la limite physique d'excursion avant de faire talonner les pièces par contact, pouvant rapidement engendrer la destruction si l'on insiste ou si la valeur est fortement dépassée.

- Les limites électriques. Reproduire les basses fréquences demandent aussi de l'énergie électrique, hors les transducteurs possèdent des bobines et des support de bobines avec des colles spécifiques dont l'échauffement excessif peut rapidement détériorer ou détruire. Il faut garder à l'esprit qu'un haut parleur est un système dont le rendement est très souvent inférieur à 5%, et que la majorité des pertes sont sous forme de restitution calorifique. Cela explique que bon nombre de modèles possèdent de puits d'aération, le plus connu étant le VGC (Vented Gap Cooling) créé par JBL. Mais d'autres orifices au niveau du spider, des pièces polaires sont aussi utilisés pour optimiser la dissipation thermique au cœur du moteur pour limiter aussi la compression thermique ...

Les différents types[modifier | modifier le code]

Les haut-parleurs subwoofer autorisent un ou plusieurs types de montages possibles qui dépendent principalement du coefficient de surtension total (QTS) et de la Fréquence de résonance (Fs) :

  • le caisson clos (ou scellé) est souvent de taille moindre que les autres types de caissons (sans pour autant arriver au même résultat), ce qui est intéressant dans le cadre d'un cinéma-maison. L'inconvénient est une fréquence de coupure des basses relativement haute par rapport au même haut-parleur en charge Bass Reflex ou Passe-Bande ; cependant la pente à la fréquence de résonance dans sa caisse (FC qui sera forcément inférieur à FS) est de 2e ordre (soit -12 dB par octave), les caissons clos obtiennent souvent une meilleure réponse impulsionnelle à bas régime (à relativiser lorsque dans une pièce à vivre les durée d'amortissement des sons à ces fréquences dépassent souvent les 100ms), dû à l'air présent à l'intérieur du caisson agissant comme un système d'amortissement (effet de ressort) limitant les excursions intempestives de la membrane dans les très basses fréquences, mais cela au détriment une fréquence basse atteinte inférieur au bass reflex lorsque la fréquence d'accord est correctement choisie. Autre avantage du caisson clos est que l’air emprisonné dans une enceinte close ne produit pas de bruit d'écoulement typique des évents lorsque lors dimensionnement a été mal conçu ou réalisé avec un compromis. L’élasticité de l’air est quasi parfaite bien au delà de 1 BAR. Face aux pressions minuscules mises en jeux dans les enceintes, c’est totalement négligeable. Par contre les suspensions des HP ne sont pas franchement linéaire. Dans une enceinte close, l’air interne à l’enceinte joue comme une suspension supplémentaire mais sans défaut. La compression thermique est généralement plus importante que sur un caisson Bass Reflex, cela est dû à l'unique pic d'impédance à la fréquence FC, car lorsque l'impédance est élevée l'intensité diminue et donc l'effet joule aussi. Sans compter le fait d'un coffret fermé ne permet pas le renouvellement de l'air.
  • Le bass reflex, est un système très répandu issu du résonateur de Helmholtz. Le principe est d'ajouter un ou plusieurs évents au caisson en calculant ces derniers pour que leur excitation par le transducteur viennent ajouter un niveau SPL aux fréquences désirées, ainsi le haut parleur et le trou (évent) rayonnent tous les deux garantissant une étendue de la bande passante dans le grave. Ainsi le système bass reflex se voit bénéficier d'avantages certains, faible excursion de membrane autour de la fréquence d'accord permettant un gain sur les distorsions à ces fréquences. bonne descente dans le grave car lorsque l'évent est correctement accordé il permet de récupérer de la bande passante dans le grave, là où le transducteur commençait à perdre en efficacité. Une compression thermique réduite par rapport à un système clos (grâce aux deux pics d'impédance et un renouvellement de l'air possible).
Mais il a aussi des inconvénients :
  • Un encombrement souvent supérieur à la solution close pour un même HP ;
  • Il est plus difficile à mettre en œuvre, puisqu'il faut accorder avec soin le HP choisi avec la caisse par l'intermédiaire de l'évent (un mauvais choix ou une conception aléatoire, brideront la qualité sonore du caisson). À cela s'ajoute les bruits d'écoulement auquel il faut prêter attention (c'est l'air qui devient audible à travers l'évent), le déplacement de la membrane qui à fort régime sur des fréquences basses peut entrainer de la casse, si l'on n'y prête pas attention dont l'application quasi-systématique de filtre passe haut à très basses fréquences, filtre dit subsonic ;
  • Les évents laissent passer très facilement les bruits, en particulier les résonances de l’enceinte. Si les modes propres de l’enceinte ne sont pas correctement atténués, on les entend ;
  • Une pente après la fréquence de coupure plus brutale qu'un caisson clos (-24 dB/octave), même si à HP équivalent le BR descendra plus bas jusqu'à la fréquence de coupure, et même après, le clos reprendra le dessus pour les infra-basses, mais le niveau aura tellement chuté que cela est totalement négligeable ;
  • Réponse impulsionnelle moins bonne qu'une caisse close (trainage dû à l'évent) ;

La tendance actuelle est aux caissons scellés à volume réduit avec correction électronique de la réponse des subwoofers.

Les règles de physique impliquent les corrélations suivantes :

  • A volume d'enceinte et surface de HP fixes, pour diminuer la fréquence de coupure basse, il faut diminuer le rendement (et donc la sensibilité).
  • Pour une fréquence et un niveau acoustique donnés, le volume d'air déplacé est le même quel que soit le haut-parleur, d'où une élongation plus importante avec un haut-parleur de petit diamètre.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Dictionnaire encyclopédique du son, Dunod,‎ (ISBN 978-2-10-005979-9), p. 507
  2. Dictionnaire encyclopédique du son, Dunod,‎ (ISBN 978-2-10-005979-9), p. 72
  3. (en) Glen Ballou, <Handbook for Sound Engineers : The New Audio Cyclopedia, SAMS,‎ (ISBN 0-672-22752-5), p. 43
  4. (en) « Bose Acoustimass AM-5 », sur Bose (consulté le 7 novembre 2015).
  5. Les dispositifs de reproduction des fréquences les plus basses en sonorisation, sur École nationale supérieure Louis-Lumière. Consulté le 10 novembre 2015.
  6. Perception des infrasons, sur Centre pour la Communication Scientifique Directe. Consulté le 10 novembre 2015.
  7. (en)United States Patent, sur Google . Consulté le 13 novembre 2015.

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]