Comment fonctionnent les haut-parleurs

Même si les enceintes Hi-Fi existent depuis plus de 70 ans, pour de nombreux nouveaux venus dans le monde de l'audio, ces boîtes en bois dotées de divers composants et ouvertures peuvent sembler mystérieuses. C'est pourquoi nous avons rédigé cet article pour ceux qui commencent tout juste leur voyage dans le monde du son de haute qualité.

Il est important de comprendre que, malgré des décennies de progrès technologiques en matière de conception et de fabrication, le principe fondamental qui sous-tend le fonctionnement des haut-parleurs (ou transducteurs acoustiques) n'a pratiquement pas changé depuis qu'Edward Kellogg et Chester Rice l'ont introduit pour la première fois en 1925. les minuscules haut-parleurs de votre smartphone, la barre de son sous votre téléviseur ou les énormes haut-parleurs d'un concert, ils partagent tous le même design de base.

L'évolution des systèmes Hi-Fi nous a apporté une qualité sonore incroyable, mais comprendre les principes de base de la technologie des enceintes vous aidera à prendre des décisions plus éclairées lors de la construction de votre propre système audio.

Comment fonctionne un haut-parleur ?

Avant de plonger dans les détails du fonctionnement des composants des enceintes, prenons un moment pour comprendre comment les enceintes créent le son en général. Le signal audio amplifié est envoyé à une bobine métallique constituée de fil. Lorsque le courant électrique traverse la bobine, il interagit avec un aimant à l’intérieur du haut-parleur, provoquant la vibration du diaphragme.

Ces vibrations déplacent l’air, créant des ondes sonores qui sont une réplique exacte du signal audio original. Et juste comme ça, vous entendez le son, qu'il s'agisse de musique ou de la voix de quelqu'un. Bien sûr, il s’agit d’une explication simplifiée, mais maintenant que nous avons une compréhension de base, décomposons-la davantage.

Le haut-parleur, ou transducteur sonore, est l’élément clé de tout système de haut-parleurs, nous permettant d’entendre le son. Son rôle est de convertir le signal électrique de l’amplificateur en ondes sonores acoustiques qui voyagent dans l’air et atteignent nos oreilles.

Pour se connecter à l'amplificateur, l'enceinte dispose de deux bornes reliées à une bobine acoustique cachée à l'intérieur de l'enceinte. Cette bobine se trouve dans un espace étroit entre les pôles d'un aimant permanent situé à l'arrière du haut-parleur. Lorsqu'un courant alternatif (le signal audio électrique) circule dans la bobine, il se déplace d'avant en arrière, suivant les principes de l'électromagnétisme que nous avons tous appris à l'école.

Étant donné que la bobine est fixée au diaphragme, qui est la partie que vous pouvez voir à l’avant du haut-parleur, le diaphragme (ou cône) se déplace également d’avant en arrière. Ces mouvements génèrent les ondes sonores que nous percevons comme du son. Pour permettre au diaphragme de bouger librement, il est monté sur un cadre flexible. Plus l'amplitude du mouvement du diaphragme est grande, plus le son que nous entendons est fort.

Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un haut-parleur ?

Jetons un coup d'œil à l'intérieur d'un haut-parleur et expliquons comment chaque élément joue un rôle dans la création du son.

Conférencier

La tâche principale d’un haut-parleur est de convertir un signal électrique en ondes sonores. C'est essentiellement le « moteur » qui alimente la production sonore.

Les éléments clés d’un haut-parleur comprennent :

• Pôle;
• Plaque arrière ;
• Aimant;
• Plaque supérieure ;
• Bobine acoustique ;
• Panier;
• Araignée;
• Cône et entourage ;
• Capuchon anti-poussière.

Poteau, plaque arrière et plaque supérieure

Le pôle agit comme un conducteur, coordonnant l’ensemble du système magnétique de l’enceinte. Il se trouve au centre et dirige le champ magnétique. La plaque arrière est située derrière le poteau, tandis que la plaque supérieure est positionnée directement au-dessus.

Aimant

L'aimant fournit une source constante d'énergie magnétique dans le haut-parleur, entouré du pôle et des plaques qui aident à focaliser le champ magnétique. Il est fixé sur le panier de l'enceinte et est appelé aimant permanent car il conserve indéfiniment ses propriétés magnétiques. En revanche, la bobine acoustique, qui interagit avec l’aimant, ne devient magnétique que lorsqu’un courant électrique la traverse.

Bobine acoustique

La bobine acoustique est un fil étroitement enroulé autour d’un petit cylindre, parfois appelé bobine. Pensez-y comme à un yo-yo. Lorsqu’un signal électrique traverse la bobine, celui-ci devient un électro-aimant interagissant avec l’aimant permanent du haut-parleur. Si vous vous souvenez de vos cours de physique, vous saurez que les charges semblables se repoussent et que les charges opposées s'attirent. Cette interaction magnétique provoque un mouvement de va-et-vient de la bobine, créant finalement des ondes sonores.

Araignée et Surround

L'araignée est un matériau ondulé qui soutient la bobine acoustique, la maintenant en place tout en lui permettant de se déplacer strictement vers l'avant et vers l'arrière. Même si cela peut sembler contre-intuitif, l'araignée garantit que la bobine ne se déplace pas latéralement, maintenant ainsi un mouvement stable.

Le contour remplit un objectif similaire pour le cône. Il maintient le cône en place en haut du panier du haut-parleur, lui permettant de se déplacer en douceur tout en produisant du son.

Cône

Le cône, également appelé diaphragme, est l’une des rares parties visibles de l’enceinte. Il se déplace d'avant en arrière en réponse aux impulsions magnétiques de la bobine acoustique. Ce mouvement crée des ondes de pression dans l’air ambiant, produisant les sons que nous entendons.

Capuchon anti-poussière

Le capuchon anti-poussière est un petit composant qui protège les parties internes du haut-parleur de la poussière et des débris, évitant ainsi tout dommage potentiel.

Panier

Le panier est le cadre qui maintient ensemble tous les composants de l’enceinte. Comme son nom l’indique, il agit comme un panier, rassemblant toutes les pièces dans une structure unifiée.

C'est ainsi que fonctionne un haut-parleur. Cependant, lorsque nous parlons de « haut-parleurs », nous faisons généralement référence à l'ensemble du système, et pas seulement aux composants internes. Mais que faut-il d’autre pour garantir que les haut-parleurs fonctionnent efficacement ?

Composants électriques

Pour que la bobine mobile produise du son, elle a besoin d’un signal électrique. C’est là que les bornes d’enceintes et les fils tressés entrent en jeu. Les bornes sont les points de connexion ou ports métalliques où le câble audio se connecte au haut-parleur.

Ces bornes sont reliées au fil tressé qui alimente la bobine mobile, fournissant le « carburant » nécessaire à son alimentation. Ce fil est chargé de transmettre le signal électrique qui est converti en son.

Enceinte

L’enceinte, ou « armoire » de l’enceinte, joue un rôle crucial dans le fonctionnement de l’enceinte. Premièrement, il fournit un boîtier scellé qui protège les composants internes de la poussière, de la saleté et des éléments externes comme les poils d’animaux.

Deuxièmement, le boîtier contribue à réduire la distorsion de phase. Lorsque le diaphragme du haut-parleur bouge, il produit des ondes sonores dans les deux sens. Sans l'enceinte, ces ondes pourraient s'annuler, entraînant une mauvaise qualité sonore.

Enfin, l’enceinte affecte la direction du son et le réglage des basses. Une enceinte bien conçue peut aider à diriger le son là où il est nécessaire et à améliorer la perception des basses fréquences.

Le boîtier est généralement fabriqué à partir d'un matériau dense et rigide pour éviter les résonances et les vibrations indésirables. Les matériaux les plus courants sont le bois ou le MDF (panneaux de fibres de densité moyenne), bien que le plastique soit également parfois utilisé.

Comment les haut-parleurs reproduisent-ils différentes fréquences ?

Nous avons déjà expliqué comment les haut-parleurs convertissent l'énergie électrique en ondes sonores. Cependant, toutes les fréquences sonores ne sont pas identiques, et si un seul haut-parleur tente de gérer l’ensemble du spectre sonore, la qualité en souffrira.

C'est pourquoi, lors des concerts, vous verrez souvent d'énormes piles de systèmes audio. Chaque enceinte est conçue pour gérer une gamme de fréquences spécifique : les subwoofers et les woofers gèrent les basses fréquences, les haut-parleurs médium couvrent les médiums et les petits tweeters s'occupent des hautes fréquences. Ces haut-parleurs sont construits différemment pour gérer ces gammes distinctes.

Bien entendu, la plupart des gens ne souhaitent pas remplir leur studio ou leur salon d’une grande pile d’enceintes et de haut-parleurs séparés pour chaque fréquence. C’est là qu’interviennent les enceintes multi-drivers.

Haut-parleurs multi-pilotes

Les haut-parleurs multi-haut-parleurs utilisent deux, trois ou même quatre haut-parleurs de tailles différentes pour gérer différentes fréquences. Le type le plus courant est le haut-parleur à deux haut-parleurs, souvent appelé système bidirectionnel.

À l’intérieur d’un haut-parleur bidirectionnel se trouve un filtre, un composant spécial qui divise le signal audio en différentes plages de fréquences. Les hautes fréquences sont envoyées au tweeter, tandis que les fréquences moyennes et basses sont dirigées vers le woofer, à l'aide de filtres pour diviser les fréquences de manière appropriée.

En utilisant un crossover, l’enceinte peut reproduire toute la gamme sonore avec un niveau de qualité qui serait impossible avec un seul haut-parleur.

Tweeters et woofers

Si vous l'avez remarqué, la plupart des enceintes Hi-Fi disposent de plusieurs haut-parleurs de tailles différentes en façade. Mais pourquoi ? Même si en théorie, un seul haut-parleur peut reproduire la gamme complète des fréquences audio, cette approche présente des limites pratiques.

Tweeters et woofers

Un petit haut-parleur ne peut pas déplacer suffisamment d'air pour produire des basses fréquences à un volume adéquat. D’un autre côté, les haut-parleurs plus gros, qui gèrent bien les basses, ont des limitations mécaniques qui les empêchent de reproduire efficacement les hautes fréquences. Une autre caractéristique importante des haut-parleurs est la directivité, qui fait référence à l'angle dans lequel le son est correctement équilibré. La directivité d'un haut-parleur dépend de sa taille : les grands haut-parleurs ont une directivité plus étroite dans les hautes fréquences, tandis que les plus petits ont du mal avec les basses fréquences.

Haut-parleur haute fréquence

Pour obtenir un son équilibré de haute qualité sur toutes les fréquences, les haut-parleurs utilisent plusieurs haut-parleurs de différentes tailles. Chaque haut-parleur est spécialement conçu pour gérer une plage de fréquences particulière : basse, moyenne ou haute. Pour garantir que chaque haut-parleur reçoit uniquement les fréquences pour lesquelles il est conçu, un composant spécial appelé crossover est utilisé, qui divise le signal audio en différentes bandes de fréquences. Mais nous en reparlerons la prochaine fois.

Qu'est-ce que l'impédance des enceintes ?

L'impédance du haut-parleur fait référence à la résistance globale au flux de courant électrique dans un haut-parleur. Elle est mesurée en ohms et comprend à la fois la résistance du fil de la bobine mobile et l'inductance provoquée par le fil enroulé dans une bobine. Contrairement à la résistance standard, l'inductance change avec la fréquence du signal, phénomène appelé réactance inductive.

En raison de cette variable, l'impédance diffère de la résistance « normale » et est calculée à l'aide de formules complexes, que vous n'avez pas besoin de mémoriser, sauf si vous êtes ingénieur. Ce qu'il est important de retenir, c'est que l'adaptation de l'impédance de vos haut-parleurs et de votre amplificateur est cruciale pour des performances optimales. Une impédance inappropriée peut entraîner une qualité sonore inférieure, une surchauffe et même des dommages matériels.

Assurez-vous donc toujours que vos enceintes sont compatibles avec votre amplificateur pour éviter les problèmes et profiter d'un son de haute qualité sans risquer votre équipement !

Puissance du haut-parleur et sensibilité du haut-parleur

« Plus c'est gros, mieux c'est », n'est-ce pas ?

Pas toujours. Beaucoup de gens pensent qu’une puissance plus élevée dans les haut-parleurs signifie automatiquement un son plus fort. Mais en réalité, serez-vous capable d’utiliser pleinement toute cette puissance ?

Une meilleure façon de comparer les enceintes consiste à examiner leur sensibilité. La sensibilité, mesurée en décibels (dB), vous indique l'efficacité avec laquelle un haut-parleur convertit l'énergie électrique en son. Plus la sensibilité est élevée, plus le haut-parleur peut produire de son avec une quantité de puissance donnée. En d’autres termes, il transforme mieux l’électricité en ondes sonores.

Les évaluations de sensibilité uniformisent les règles du jeu lorsque l’on compare les performances et la puissance des enceintes. Cependant, si vous utilisez un amplificateur externe, vous devez toujours tenir compte de la puissance que les haut-parleurs peuvent gérer. La gestion de la puissance indique la quantité de puissance électrique qu'un haut-parleur peut supporter sans être endommagé. Il est donc important de faire correspondre la sortie de votre amplificateur avec la puissance nominale du haut-parleur.

Le choix entre une sensibilité élevée ou faible dépend des besoins de votre système. Si l'efficacité énergétique est importante (comme dans les haut-parleurs portables ou les systèmes audio de voiture), vous aurez besoin de haut-parleurs avec une sensibilité plus élevée. En revanche, dans une configuration audio professionnelle, vous aurez peut-être besoin de haut-parleurs avec une capacité de puissance plus élevée.

Réponse en fréquence

Lorsque nous parlons de la réponse en fréquence d’un haut-parleur, nous parlons de sa capacité à reproduire le son sur différentes plages de fréquences. Puisqu’aucun haut-parleur n’est parfait, un graphique de réponse en fréquence permet de révéler les fréquences sur lesquelles le haut-parleur peut suraccentuer ou sous-performer.

La réponse en fréquence est importante pour plusieurs raisons. Premièrement, c'est essentiel lors de la conception de systèmes multi-pilotes et de la mise en place de crossovers, qui divisent les fréquences entre différents pilotes. Deuxièmement, il vous aide à choisir les enceintes adaptées à vos besoins audio spécifiques, que ce soit pour un travail professionnel en studio ou pour l'écoute de musique à la maison.

De nombreux haut-parleurs grand public sont intentionnellement réglés avec une légère courbe de « sourire » dans leur réponse en fréquence pour améliorer l’expérience sonore. Cependant, si vous travaillez dans la production musicale, vous avez besoin d’enceintes avec une réponse en fréquence plate. Cela garantit qu'aucun instrument ou échantillon n'est masqué par des creux dans la gamme de fréquences ou artificiellement amplifié par des pics.

Essentiellement, les haut-parleurs dotés d'une réponse en fréquence plate fournissent un son précis et clair, reflétant fidèlement la source audio d'origine, ce qui est crucial pour un mixage et un mastering précis.

Et les écouteurs ?

Les écouteurs utilisent la même technologie que les haut-parleurs, mais à plus petite échelle. Il s’agit essentiellement de minuscules haut-parleurs placés sur ou à l’intérieur de vos oreilles, offrant un son personnalisé.

Comment fonctionnent les enceintes stéréo ?

Un seul haut-parleur diffuse généralement le son en mono. Pour obtenir une scène sonore stéréo complète, vous avez besoin de deux haut-parleurs, chacun transmettant les signaux audio gauche et droit et positionnés pour créer un environnement sonore spacieux.

Mais qu’en est-il des barres de son ? Comment créent-ils un effet stéréo ?

Les barres de son conçues pour une sortie stéréo disposent de plusieurs haut-parleurs disposés dans l'enceinte. Le signal stéréo est divisé en canaux gauche et droit, et chaque pilote reçoit sa partie pour créer une image stéréo plus large. Ces systèmes sont souvent livrés avec un caisson de basses supplémentaire pour des basses profondes, parfait pour reproduire les basses fréquences ou la voix grave de Batman.

Qui a inventé le haut-parleur ?

Comme beaucoup d’autres inventions du début du 20e siècle, il est difficile d’attribuer le mérite à une seule personne d’avoir inventé le haut-parleur. La technologie a évolué au fil du temps, à mesure que les scientifiques et les ingénieurs ont acquis une meilleure compréhension des ondes sonores et des courants électriques.

Alexander Graham Bell, le célèbre inventeur du téléphone, a apporté d'importantes contributions à la technologie audio, en développant l'une des premières versions d'un haut-parleur à la fin du XIXe siècle. Peu de temps après, Oliver Lodge a créé le premier haut-parleur à bobine mobile. En 1915, les ingénieurs danois Peter L. Jensen et Edwin Pridham ont breveté le haut-parleur électrodynamique, où une bobine de fil attachée à un diaphragme était placée dans un champ magnétique.

De l'autre côté de l'Atlantique, en 1925, Edward W. Kellogg et Chester W. Rice ont développé le haut-parleur dynamique à diaphragme, qui a ensuite été autorisé par RCA. Leur conception comprenait de nombreux éléments qui constituent le fondement de la technologie moderne des enceintes.

On peut donc affirmer sans se tromper que de nombreuses personnes ont contribué au développement de la technologie qui vous permet aujourd’hui de profiter de la musique et des films avec un son de haute qualité. Comme pour de nombreuses grandes inventions, il a véritablement fallu tout un village pour donner vie à l’enceinte moderne !

L'avenir des systèmes acoustiques

La technologie est de plus en plus petite et moins chère, c'est un fait. Mais en ce qui concerne les haut-parleurs, la technologie de base est restée pratiquement inchangée depuis leur invention.

En réalité, les haut-parleurs sont l’une des technologies les plus inefficaces que nous utilisons aujourd’hui. Plus de 99 % de l’énergie injectée dans un haut-parleur n’est pas convertie en son. La majeure partie est gaspillée sous forme de chaleur. Il est surprenant que l'Environmental Protection Agency (EPA) n'ait pas encore interdit les enceintes en raison de leur faible efficacité énergétique.

Cependant, l’avenir des enceintes pourrait changer grâce à un nouveau matériau découvert en 2004 : le graphène. Ce matériau est incroyablement léger, ce qui signifie qu’il nécessite beaucoup moins d’énergie pour se déplacer d’avant en arrière afin de créer des ondes sonores. C'est une excellente nouvelle, en particulier pour les tweeters, qui ont besoin de matériaux aussi légers pour fonctionner efficacement dans les hautes fréquences.

Si les scientifiques parviennent à augmenter la production de graphène et à l’intégrer dans des produits commerciaux, les enceintes du futur pourraient être plus légères et bien plus économes en énergie.

D'ici là, nous devrons nous contenter de ce dont nous disposons actuellement : des mini radiateurs qui convertissent les signaux électriques en changements de pression atmosphérique, également appelés haut-parleurs.