Enceintes de subwoofer à suspension acoustique expliquées
Enceinte, boîte ou coffret : Quel que soit le nom que vous voulez leur donner, où vous installez votre haut-parleur ou subwoofer est critique pour leur performance résultante. Dans cet article, nous nous concentrons sur le plus simple et le plus indulgent des enceintes à concevoir et construire – l'enceinte à suspension acoustique ou close.
Les lois de la physique
Il y a quelques caractéristiques à garder à l'esprit sur chaque haut-parleur. La première est que quand la fréquence diminue, le débattement du cône augmente. En fait, pour produire la même sortie acoustique, un haut-parleur doit bouger quatre fois plus loin pour chaque division par deux de la fréquence. Comme exemple, si votre subwoofer bougeait 1 mm à 80 Hz, il devrait bouger 4 mm pour produire la même sortie à 40 Hz. Pour produire la même sortie à 20 Hz, il devrait bouger 16 mm.
Un haut-parleur inclut un élément appelé araignée. L'araignée stocke de l'énergie quand la bobine mobile d'un haut-parleur bouge le cône vers l'avant ou l'arrière de sa position de repos. Quand le cône atteint la fin de son parcours et s'arrête, l'énergie potentielle stockée dans l'araignée veut être libérée. Cette énergie stockée tire le cône dans la direction opposée. Chaque transfert d'énergie inclut des pertes, et éventuellement, le cône vient au repos.
Pensez au mouvement du cône comme une balançoire au parc. Vous exercez une force sur la balançoire pour la démarrer, et elle continue de balancer d'avant en arrière avec une amplitude décroissante jusqu'à s'arrêter. Heureusement, un haut-parleur s'arrête de bouger bien plus vite que la balançoire au parc.
Dans un haut-parleur, ce transfert d'énergie du cône à l'araignée et retour est le plus efficace à une fréquence spécifique. Nous appelons cela la fréquence de résonance du haut-parleur. À la fréquence de résonance, il y a une augmentation dramique de l'impédance parce que l'araignée stocke beaucoup d'énergie. Ce stockage d'énergie cause le cône à vouloir continuer à bouger. Le mouvement de la bobine mobile à travers le champ magnétique génère une tension. Cette tension génère un flux de courant dans la direction opposée au courant venant de l'ampli. Nous représentons cette opposition au flux de courant comme une augmentation d'impédance.
Nous devons aussi considérer que chaque haut-parleur est limité dans la distance que le cône peut bouger. Une fois que nous dépassons les limitations de débattement du haut-parleur, de mauvaises choses arrivent. Le support de bobine mobile peut heurter la plaque arrière. Les composants de suspension peuvent être compromis et commencer à lâcher. Comme sous-produit de la géométrie du cône, du dôme anti-poussière, du surround, de l'araignée et du moteur, la distorsion harmonique augmente aussi quand le débattement augmente.
Notre objectif en concevant n'importe quel système audio devrait être de garder la distorsion aussi basse que possible. La plupart de la distorsion aux basses fréquences est de la résonance. Ces résonances diminuent quand on monte au-dessus de la fréquence de résonance du haut-parleur. L'araignée et la force motrice changeante, alors que la bobine bouge au-delà du bord de l'entrefer, sont les plus gros contributeurs à la distorsion.
Pourquoi avons-nous besoin d'une enceinte ?
Considérons quelques caractéristiques additionnelles. Le coupure en basses fréquences d'un haut-parleur est un filtre passe-haut. L'araignée dans le haut-parleur est comme un condensateur – un ressort stocke de l'énergie et un condensateur aussi. L'air à l'intérieur de la boîte est aussi un ressort, et il est en parallèle avec l'araignée. Le ressort d'air et l'araignée travaillent ensemble en même temps pour faire la même chose. La combinaison du ressort d'air et de l'araignée augmente la fréquence du filtre passe-haut. Oui : Contrairement à nos efforts pour produire autant d'information basse fréquence que possible, une enceinte limite la reproduction des basses fréquences.
Si c'est le cas, pourquoi voulons-nous limiter le mouvement du cône ? Considérez ce qu'on a dit sur combien de débattement est requis pour reproduire les basses fréquences et sur la distorsion. Limiter la sortie basse fréquence de notre haut-parleur n'est pas un objectif idéal, mais limiter certaines des très basses fréquences pour obtenir la bonne quantité de basses aux fréquences plus hautes en vaut la peine.
Il y a un avantage à augmenter la fréquence de résonance du système haut-parleur et enceinte. Disons que nous avons un subwoofer avec un Q de 0,5 et que notre but est d'avoir un Q total du système de 0,707. Nous choisissons un volume d'air d'enceinte qui augmente le Q, ce qui augmente ensuite la sortie du système à la nouvelle fréquence de résonance. Oui, nous sacrifions la sortie aux fréquences plus basses, mais nous gagnons en sortie autour de la nouvelle fréquence de résonance du système.
Je veux plus de basses !
Les conceptions de haut-parleurs modernes continuent de réduire la distorsion grâce à la simulation informatique et la modélisation du comportement des matériaux. Les concepteurs de haut-parleurs qualifiés et correctement équipés peuvent simuler le comportement de l'araignée, du cône et du surround pour analyser les comportements de résonance et de distorsion individuels. Ils peuvent aussi modéliser l'interaction entre la bobine mobile et la structure du moteur pour prédire les changements dans la force du champ magnétique et l'inductance qui peuvent affecter davantage comment un haut-parleur sonnera à des niveaux de débattement modérés à élevés.
Ces avancées ont résulté en des haut-parleurs qui produisent moins de distorsion à des niveaux de débattement plus élevés. Cette amélioration de performance permet aux concepteurs d'enceintes de construire des systèmes de haut-parleurs qui joueront plus bas et plus fort.
Quelques principes de base régissent la reproduction sonore en basses fréquences. La surface du cône est critique. Un vieil article publié par l'Audio Engineering Society appelé « The Problem with Low-Frequency Reproduction », par Saul J. White, incluait un graphique qui comparait le débattement du cône vs fréquence vs sortie système pour un haut-parleur de 12 et 15 pouces. Dans le graphique, il montre qu'un cône de 15 pouces n'a qu'à bouger la moitié de ce qu'un cône de 12 pouces doit bouger pour produire la même sortie.
Pour produire du son, nous devons déplacer de l'air. Le déplacement est calculé par le produit de la surface du cône du haut-parleur fois la distance que le cône peut parcourir. En d'autres termes, alésage fois course. Pour le même déplacement, plus d'alésage nécessite moins de course.
Quelle est la conclusion ? Si vous le voulez plus fort, achetez plus de haut-parleurs ou de subwoofers.
Comportement du haut-parleur dans une enceinte
L'augmentation du Q du système causée par l'ajout de raideur d'air dans l'enceinte peut causer de la distorsion si le Q est augmenté excessivement. Cette augmentation de Q joue contre notre désir d'un système à faible distorsion. Rendre l'enceinte trop petite augmente le Q trop, et nous finissons avec un système qui produit une grande quantité de sortie dans une étroite plage de fréquence. Ces enceintes sous-dimensionnées sont souvent appelées « one-note-wonders » (merveilles à une note).
Qu'est-ce qui cause ce comportement ? La qualité à une note est un résultat de l'augmentation du stockage et du transfert d'énergie dans le système résonnant. Les basses continuent juste d'aller et d'aller – comme notre balançoire au parc.
Tenue en puissance
Dans une enceinte à suspension acoustique, le débattement du cône augmente quand la fréquence diminue. Cette augmentation de débattement continue jusqu'à la fréquence à laquelle la force de l'araignée et de la boîte dépasse la force du moteur. À ce point, le niveau de débattement est limité, et nous ne verrons pas l'augmentation de débattement. Le résultat : Nous protégeons le haut-parleur des dommages physiques dus au débattement du cône au-delà des caractéristiques de conception du haut-parleur.
Prédire les limites de débattement du cône par rapport à la fréquence et la puissance est relativement simple pour une enceinte close. Le volume de l'enceinte est inversement proportionnel à la quantité de puissance que le haut-parleur peut gérer quand perçu du point de vue du débattement. Une petite enceinte limite le débattement du cône beaucoup aux très basses fréquences, mais le système ne produit pas beaucoup de basses profondes. Une grande enceinte permet au haut-parleur de bouger plus loin et produire plus de sortie basse fréquence, mais nous ne pouvons pas piloter le haut-parleur avec autant de puissance de peur de l'endommager.
Alors que nous augmentons le volume de l'enceinte de subwoofer, l'air à l'intérieur a moins d'« effet ressort » sur le mouvement du subwoofer. Ce graphique montre l'augmentation du débattement du haut-parleur alors que le volume d'air augmente dans quatre enceintes différentes.
Aperçu de la suspension acoustique
Une enceinte de haut-parleur à suspension acoustique réduit la sortie des basses à un taux de -12 dB par octave en dessous de la fréquence de résonance. Quand vous combinez cette coupure avec le gain de cabine associé à la plupart des véhicules, vous pouvez obtenir une excellente extension linéaire en basses fréquences bien dans la région infrasonique. Les enceintes à suspension acoustique sont faciles à calculer et à construire. Elles sont très indulgentes aux erreurs mineures dans le calcul de volume.
Finalement, il vaut la peine de se rappeler que les enceintes à suspension acoustique ne sont pas les conceptions d'enceintes à la plus faible distorsion disponibles.
Quand vient le moment de concevoir une enceinte de subwoofer pour votre voiture ou camion, visitez votre détaillant en électronique mobile local et discutez de vos besoins. Ils peuvent vous aider à choisir un subwoofer et une conception d'enceinte qui vous donnera une base solide sur laquelle construire votre système audio.