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Comprendre: Les filtres de répartition
- Public  Débutant / tout public
Source: Articles internet - février 2007 ::: crédits n/c :::
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Dans une enceinte acoustique, chaque haut-parleur est spécialisé dans la reproduction d'une bande fréquentielle particulière. Par exemple, une enceinte à deux voies peut être constituée d'un haut-parleur à membrane conique restituant les basses et moyennes fréquences, et d'un haut-parleur à compression et pavillon diffusant les fréquences hautes. Le rôle d'un filtre de répartition est de décomposer le signal audio à reproduire en plusieurs signaux dont le spectre fréquentiel est limité et adapté aux différents haut-parleurs de l'enceinte. Bien évidemment, la qualité des filtres (conception et réalisation) joue un rôle primordial dans la fidélité de restitution du signal audio d'origine.

:::Pour sélectionner la bande fréquentielle adaptée à chaque haut-parleur, différents types de filtres peuvent être utilisés
- les filtres passe-bas qui s'opposent au passage des fréquences au-dessus d'une fréquence dite de coupure et laissent passer les fréquences basses ;
- les filtres passe-haut qui s'opposent au passage des fréquences au-dessous de la fréquence de coupure et laissent passer les fréquences hautes ;
- les filtres passe-bande qui résultent de la combinaison d'un filtre passe-bas et d'un filtre passe-haut, et ne laisse par conséquent passer qu'une bande fréquentielle limitée.

Outre la fréquence de coupure, un filtre est caractérisé par sa pente d'atténuation exprimée en décibels par octave (dB/oct.) ou décibels par décade (dB/déc.), une décade définissant l'intervalle compris entre une fréquence particulière f et la fréquence 10 f et une octave celui compris entre f et 2f. La valeur de la pente d'atténuation (par exemple 6 dB/oct., 12 dB/oct., 18 dB/oct. ou 24 dB/oct.) dépend de l'ordre (la complexité) du filtre. Plus cette valeur est élevée, plus le filtre est sélectif et permet d'éviter les interférences entre les différents haut-parleurs mais en contrepartie sa mise en ouvre devient complexe et coûteuse.

Une première façon de réaliser des filtres de répartition consiste à utiliser des composants électroniques dits passifs, c'est-à-dire n'ayant pas besoin d'alimentation externe comme des bobines, des condensateurs et éventuellement des résistances. Une utilisation typique de quelques filtres passifs d'ordre 1 et 2 dans un système multivoie est représentée à la Figure 1 et à la Figure 2. Comme il est malheureusement impossible de réaliser des filtres parfaits, différentes méthodes (polynômes d'approximation) ont été proposées pour calculer la valeur des composants (L, C, L1, C1, L2, C2 etc.), en fonction de la fréquence de coupure, de l'impédance des haut-parleurs et des propriétés du filtre que l'on souhaite optimiser :

- la méthode de Bessel permet d'obtenir des filtres avec une réponse en phase la plus linéaire possible ;
- la méthode de Butterworth privilégie la constance du gain dans la bande passante. Les filtres de Butterworth d'ordre 3 ont été très utilisés jusqu'aux années 80 ;
- la méthode de Linkwitz-Riley permet de préserver les propriétés de phase du signal tout en assurant, lorsqu'un filtre passe-bas et un filtre passe-haut de même fréquence de coupure sont combinés, un gain constant sur tout le spectre des fréquences. Ce type de filtre a rencontré un vif succès dès son apparition au début des années 80.

Les filtres passifs sont habituellement intégrés dans les enceintes acoustiques.


:::Filtres passifs d'ordre 1 (pente d'atténuation de 6 dB/oct.) dans un système 2 voies.
Figure 1

:::Filtres passifs d'ordre 2 (pente d'atténuation de 12 dB/oct.) dans un système 3 voies.
Figure 2

:::Les systèmes de sonorisation
Les systèmes de sonorisation qui délivrent beaucoup de puissance utilisent plutôt des filtres actifs placés avant l'étape d'amplification, et donc travaille en multi-amplification. Ces filtres sont constitués d'au moins un composant nécessitant une alimentation externe (transistor, amplificateur opérationnel par exemple). La Figure 3 représente des filtres actifs typiques de Linkwist-Riley d'ordre 4 (deux cellules d'ordre 2 en cascade), couramment utilisés.

:::Filtres actifs passe-bas et passe-haut de Linkwitz-Riley d'ordre 4 (pente d'atténuation de 24 dB/oct.).
Figure 3

:::Filtres numériques
Enfin, dans de nombreux systèmes professionnels, les filtres de répartition sont maintenant numériques, c'est-à-dire implantés dans des DSP (Digital Signal Processor, ou processeur de signal numérique). Citons par exemple les processeurs XTA DP446, BSS FDS366T, ou Lake Contour (cf. Figure 4). Dans le domaine numérique, il est non seulement possible de transposer et réaliser efficacement les filtres analogiques (ces appareils proposent des filtres d'ordre 8, soit avec une pente d'atténuation de 48 dB/oct.), mais également d'y associer tout traitement du signal (égalisation, délai, etc.) utile au réglage précis d'un système de sonorisation.

:::Quelques exemples de processeurs numériques proposant toute une variété de filtres de répartition et de traitement du signal sonore (égaliseurs, délais, etc.).
Figure 4

Dans le but de permettre la construction d'enceintes acoustiques, nous reviendrons plus en détails dans de prochains articles sur les différentes stratégies d'optimisation et de réalisation des filtres de répartition, ainsi que sur le problème de la mesure acoustique des haut-parleurs.




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