Dans les coulisses de la gestion de la puissance des haut-parleurs

Nous avons écrit plusieurs articles sur les puissances nominales des haut-parleurs au fil des ans, mais le sujet semble être celui que très peu de gens comprendre pleinement. Cet article servira de guide de référence pour savoir comment les fabricants haut de gamme et réputés évaluent les capacités de gestion de la puissance de leurs haut-parleurs. Nous commencerons par examiner la physique de la conception des haut-parleurs concernant la façon dont ils gèrent la chaleur créée par la puissance de votre ampli, puis expliquerons comment le bruit rose est utilisé pour créer des puissances nominales.

Efficacité et puissance des haut-parleurs

Malheureusement, les haut-parleurs sont notoirement inefficaces. Un haut-parleur de milieu de gamme de 8 pouces à haut rendement utilisé dans un haut-parleur de sonorisation ne peut transformer qu'environ 1,3 % de la puissance de l'ampli en énergie acoustique. Le reste est converti en chaleur dans la bobine mobile et, par la suite, dans les pièces autour de la bobine telles que l'aimant, la culasse en T et le cône.

Les haut-parleurs conçus pour les applications audio de voiture sont souvent nettement moins efficaces car ils doivent fonctionner sur une plage de fréquences plus large. Pour un haut-parleur de milieu de gamme avec une sensibilité de 90 dB 1 W/1 M, l'efficacité est de 0,63 %.

Pensez à la quantité de chaleur générée par une ampoule à incandescence de 100 watts. Ci-dessous, une image thermique d'une ampoule de 100 watts qui a été allumée pendant seulement 60 secondes. La base en verre de l'ampoule a déjà atteint une température de plus de 90 degrés Celsius ou 195 degrés F. Il fait clairement trop chaud au toucher et ne fera que continuer à chauffer. Des recherches rapides montrent que les ampoules à incandescence ont une efficacité d'environ 2,2. Ce manque d'efficacité en fait une excellente analogie en termes de comparaison de la génération de chaleur à celle d'un haut-parleur. Nous aborderons bientôt la logistique et la réalité de l'alimentation d'autant de puissance dans autre chose qu'un subwoofer.

Comment les haut-parleurs gèrent la chaleur

La chaleur dans un haut-parleur est générée dans l'enroulement de la bobine mobile. Qu'il s'agisse de cuivre, d'aluminium ou d'une combinaison des deux, toute cette chaleur est concentrée sur cette bobine de fil relativement petite. Le seul composant qui entre en contact direct avec la bobine mobile est, sans surprise, le support de bobine mobile. Dans les haut-parleurs audio de voiture, les formeurs de bobine acoustique sont fabriqués à partir de matériaux tels que le papier kraft, les papiers isolants synthétiques tels que 3M TufQUIN, les fibres d'aramide telles que Nomex et Bondex et l'aluminium. Chacun de ces matériaux a des propriétés d'isolation et de conductivité thermique différentes.

Le composant de haut-parleur suivant qui doit gérer la chaleur de la bobine mobile est la plaque supérieure. Dans la plupart des cas, la plaque supérieure est une pièce d'acier qui est fixée à l'aimant (ou aux aimants) pour concentrer le champ magnétique sur la bobine mobile. Bien que la plaque supérieure n'entre pas en contact avec la bobine acoustique, les deux composants sont très proches l'un de l'autre. La majorité du refroidissement de la bobine acoustique du haut-parleur peut être attribuée au transfert de chaleur dans la plaque supérieure et, par la suite, dans la structure du moteur. De nombreux fabricants d'enceintes se donnent beaucoup de mal pour s'assurer qu'il y a un flux d'air important autour de la plaque supérieure afin d'améliorer encore le refroidissement, en particulier sur les subwoofers.

La culasse en T, la partie de la structure du moteur qui complète la boucle de champ magnétique, est également importante pour aider à évacuer la chaleur de la bobine acoustique et de celle-ci. La culasse en T se trouve à l'intérieur de la bobine acoustique dans la plupart des conceptions.

Diamètre de la bobine acoustique du caisson de basses et gestion de la puissance

La capacité de tout appareil à gérer la chaleur est déterminée par sa taille. Une résistance de 1/8 watt est beaucoup plus petite qu'une résistance de 1 watt. Généralement, la taille d'un composant détermine la quantité de surface et la capacité de transférer la chaleur dans l'air. Dans les haut-parleurs, le diamètre et la longueur de l'enroulement de la bobine acoustique dans un subwoofer sont un bon indicateur de la quantité de chaleur et, par conséquent, de la puissance que le haut-parleur peut supporter.

À titre d'exemple, en parcourant la gamme de produits d'un fabricant de subwoofers populaire, nous voyons que leurs subwoofers avec une bobine acoustique de 2 pouces de diamètre sont évalués pour 250 watts; passer à une bobine de 2,5 pouces de diamètre augmente la puissance nominale à 500 watts. Leurs subwoofers avec des bobines de 3 pouces sont évalués à 600 watts, et leurs woofers de niveau compétition ont des bobines massives de 4 et 5 pouces de diamètre évaluées à 2 500 et 3 000 watts, respectivement.

Gardez à l'esprit que la taille physique (hauteur) de chacune de ces bobines acoustiques n'a pas été fournie, il est donc prudent de supposer que le saut à plus de 2 500 watts de puissance s'accompagne d'une augmentation significative de la hauteur d'enroulement de la bobine et de la surface associée.

Tailles des bobines acoustiques des haut-parleurs haute fréquence

Parler de la gestion de la puissance dans autre chose qu'un subwoofer va nécessiter un peu de bon sens. Réfléchissez bien aux puissances nominales d'un haut-parleur de milieu de gamme. Nous examinerons une autre marque populaire et verrons comment les diamètres de leurs bobines acoustiques sont liés aux spécifications de gestion de la puissance de plusieurs de leurs haut-parleurs de milieu de gamme de 6,5 pouces. Cette marque a un pilote avec une bobine de 1 pouce évaluée à 70 watts, et une bobine de 1,25 pouce est évaluée à 80 watts dans une série et à 100 watts dans une solution haut de gamme. Les différentes puissances nominales des bobines de 1,25 pouce montrent comment la hauteur totale de l'enroulement affecte la capacité thermique.

Parlons maintenant des tweeters. Les tweeters dans les applications audio de voiture sont extrêmement petits et, franchement, assez fragiles. Les enroulements de la bobine acoustique des tweeters sont fabriqués à partir de fils très fins, souvent de calibre inférieur à 24. Même avec un diamètre de 1 pouce sur un tweeter à dôme souple, ils ne peuvent pas gérer beaucoup de puissance. Alors, comment les fabricants parviennent-ils à des puissances nominales de 100 watts ou plus pour leurs tweeters alors que nous savons qu'un haut-parleur de milieu de gamme avec un enroulement de bobine acoustique au moins cinq fois plus haut ne peut gérer que 100 watts ? La réponse réside dans la manière dont les fabricants testent leurs enceintes.

Qu'est-ce que le bruit rose ?

Avant d'entrer dans l'explication de la façon dont la gestion de la puissance des haut-parleurs est évaluée, nous devons examiner de près ce que l'on appelle le bruit rose. Le bruit rose est un signal audio composé de fréquences aléatoires allant juste au-dessus de 0 Hz jusqu'à la limite supérieure du format de fichier audio ou informatique. Pour un fichier .wav de qualité CD conventionnel, ce serait 22,05 kHz.

Dans le bruit rose, chaque octave contient une quantité égale d'énergie de bruit. Cela signifie que l'octave de 100 Hz à 200 Hz contient la même quantité d'énergie de bruit que l'octave de 1 kHz à 2 kHz. La puissance dans chaque octave est également inversement proportionnelle à la fréquence du signal. Bien qu'il s'agisse d'une approximation approximative du fonctionnement des calculs, il y a 100 Hz entre 100 Hz et 200 Hz alors qu'il y a 1 000 hertz entre 1 kHz et 2 kHz. Dans un signal de bruit rose, la bande 1 à 2 kHz est répartie sur 10 fois plus d'espace.

Voici à quoi ressemble l'analyse spectrale d'un signal audio de bruit rose :

Vous pouvez voir qu'au-dessus de 20 Hz, le niveau du signal diminue à un rythme de -10 dB par décade à mesure que la fréquence augmente. Cela signifie qu'il y a 10 dB d'énergie de signal en moins à 1 kHz qu'à 100 Hz. Lorsque nous rapportons cette réduction de la force du signal à la puissance de nos amplificateurs, le rapport est également un facteur de 10.

Si nous jouons du bruit rose à travers un système audio et que les commandes de sensibilité de l'amplificateur sont réglées pour produire 100 watts de puissance à 20 Hz, à 200 Hz, l'ampli produira 10 watts. À 2 kHz, l'ampli produira 1 watt et à 20 kHz, l'ampli fournira 0,1 watt de puissance à nos haut-parleurs.

Densité de puissance dans la musique

Un autre sujet dont nous devrions discuter avant d'aborder les puissances nominales des haut-parleurs est la répartition de l'énergie audio dans la musique que nous écoutons. Nous avons examiné six pistes audio et analysé leur contenu spectral dans Adobe Audition de la même manière que la forme d'onde de bruit rose ci-dessus. Les résultats sont affichés ci-dessous :

Comme vous pouvez le voir sur cette sélection modérément diversifiée de pistes musicales, l'énergie audio est distribuée de la même manière que notre piste de bruit rose. Pour cette raison, de nombreux fabricants utilisent des signaux de bruit rose pour tester les capacités de gestion de la puissance de leurs haut-parleurs.

Comment la gestion de la puissance des haut-parleurs est testée

Selon la marque, différentes entreprises utilisent différents processus pour tester les capacités de gestion de la puissance de leurs haut-parleurs. Il convient de noter que certaines entreprises ont des spécifications détaillées pour leurs procédures de test tandis que d'autres s'appuient simplement sur les données fournies par leurs fournisseurs, et d'autres devinent en fonction de la taille de la bobine acoustique utilisée dans la conception. C'est l'une des principales différences entre les entreprises qui consacrent des efforts considérables à la conception et au développement de leurs produits et celles qui choisissent des solutions dans un catalogue et font apposer leur nom sur le panier et le capuchon anti-poussière.

Un processus de test de haut-parleur correctement conçu implique plusieurs étapes. Nous utiliserons un subwoofer pour le premier exemple. Le technicien effectuant le test réglerait la sortie de l'amplificateur à l'aide d'une piste audio à onde sinusoïdale pour représenter un niveau de tension correspondant au niveau de puissance qu'il souhaite tester. Pour un subwoofer de 4 ohms qui doit être testé à un niveau de puissance de 200 watts, la tension de l'onde sinusoïdale doit être de 28,28 volts rms ou 40 volts crête à crête. Une fois cette amplitude définie, un bruit rose qui équivaut à une amplitude égale à 20 Hz est émis pour tester le pilote.

Une fois les niveaux définis et le haut-parleur monté dans le dispositif de test, cette piste de bruit rose est lue à un niveau continu jusqu'à ce que le haut-parleur tombe en panne ou qu'un temps suffisant se soit écoulé. De nombreuses entreprises utilisent huit à 10 heures comme temps de test minimum et certaines l'étendent à 100 heures. Une fois la température stabilisée dans l'enceinte, le test de durée prolongée peut aider à confirmer l'adéquation et la fiabilité des adhésifs choisis et des matériaux utilisés pour construire l'enceinte. Essentiellement, cela devient un test physique ainsi qu'un test de gestion de la puissance.

Bien que cela varie d'une marque à l'autre, pour que le haut-parleur réussisse le test, les paramètres Thiele/Small du pilote ne doivent pas avoir changé de plus d'une quantité prédéterminée par rapport à ceux avant le début du test. Un changement significatif des propriétés électromécaniques indique que quelque chose a pu être endommagé pendant le test et que trop de chaleur a été générée.

Comment sont testés les haut-parleurs médium et haute fréquence

Étant donné que les haut-parleurs et les tweeters de milieu de gamme ne peuvent pas gérer des niveaux d'excursion élevés, ils sont testés de la même manière qu'un woofer, mais le signal de test passe à travers un filtre passe-haut. Voici un exemple :

Disons que nous voulons tester un tweeter de 4 ohms et que nous voulons utiliser la norme ci-dessus pour le tester pour 100 watts de puissance. Cela équivaut à un niveau d'onde sinusoïdale de 20 volts rms ou 28,28 volts crête à crête. Le test commence avec l'amplificateur calibré pour produire 20 Vrms en utilisant une onde sinusoïdale alors qu'il n'est pas connecté au haut-parleur. Une fois le niveau défini, le bruit rose est lu à travers le filtre passe-haut spécifié par le fabricant. Pour les besoins de cet exemple, supposons que le filtre est réglé sur 2 kHz.

Voici à quoi ressemblera l'analyse spectrale du signal de test.

Le niveau de crête moyen du signal de test est maintenant inférieur d'environ 20 dB à ce qu'il était à 20 Hz avec un signal à pleine bande passante. En termes de puissance du signal audio, nous avons 1/100 de puissance en plus. Ou 1 watt.

Sommes-nous en train de dire qu'un tweeter conçu pour supporter 100 watts de puissance de bruit rose, testé au-dessus de 2 kHz, n'est testé qu'avec 1 watt de puissance ? Absolument! C'est exactement comme ça que ça marche. Pensez à la physique de la musique. Nous voulons que le son produit par les tweeters soit équilibré avec celui des haut-parleurs médium et des woofers ou subwoofers.

Dans le monde réel, ce tweeter peut probablement gérer bien plus qu'un seul watt de puissance. Il peut être capable de gérer 10 watts. Cela signifie-t-il que ce serait une bonne idée d'évaluer le pilote comme étant capable de gérer 1 000 watts de bruit rose ? Pas probable. Vous savez que quelqu'un qui ne comprend pas comment fonctionne le bruit rose va utiliser une piste sinusoïdale pour régler les gains de son ampli de tweeter et essayer d'alimenter le tweeter en 63 volts (1 000 watts). Bien sûr, ces mêmes personnes appelleront également le fabricant du haut-parleur et se plaindront que le tweeter est "cassé" et qu'ils ne faisaient que régler les commandes de gain.

Quelles sont les spécifications de gestion de puissance ?

Les cotes de gestion de la puissance des haut-parleurs qui utilisent le bruit rose sont basées sur des critères établis pour les haut-parleurs domestiques à gamme complète. Les tests imitent ce que les haut-parleurs ressentiraient lorsqu'ils sont écoutés à des niveaux de volume élevés et sont destinés à indiquer quelle puissance nominale d'amplificateur serait appropriée pour tirer le meilleur parti des haut-parleurs sans les endommager. Cette spécification ne tient pas compte de ce qui se passe lorsqu'un amplificateur est amené à l'écrêtage - nous y reviendrons une autre fois.

Pour l'instant, la conclusion de tout cela est que la configuration d'un système audio doit commencer par régler les commandes de sensibilité de votre ampli subwoofer, puis augmenter les niveaux des canaux médium et tweeter pour créer un système équilibré. Il y a de fortes chances que vous ne vous approchiez pas de la puissance maximale des amplis médium et tweeter. Oh, et vous n'avez pas besoin d'un ampli de 150 watts pour piloter vos tweeters.