Comment concevoir et construire un filtre de haut-parleur (crossover) – Guide DIY avec schémas !

Les utilisations réelles de ces composants sont extrêmement importantes dans les systèmes de haut-parleurs audio maison ou voiture :

• Nous pouvons utiliser le bon condensateur (noté en Farads) pour empêcher les basses fréquences d'atteindre un tweeter, ce qui causerait de la distorsion, voire des dommages !
• Nous pouvons utiliser une inductance de la bonne valeur (notée en Henries) pour empêcher les signaux musicaux à haute fréquence d'atteindre un woofer, ce qui sonnerait très mal ou agressif.

Les condensateurs et inductances peuvent être utilisés seuls (crossover à un seul étage, aussi appelé 1er ordre) ou combinés pour faire un filtre encore plus efficace avec différentes caractéristiques. Les crossovers du 1er ordre ont une pente de crossover, ou raideur/efficacité du filtrage, qui s'atténue à un taux de 6 dB par octave.

Les crossovers du 2e ordre, qui ont deux sections de condensateur ou d'inductance, s'atténuent à 12 dB par octave. Les designs du 2e ordre sont l'un des plus couramment utilisés pour les crossovers passifs car ils sont un bon compromis entre complexité, coût, raideur de la pente et qualité sonore.

Dans le monde de l'ingénierie, nous utilisons les Décibels (dB) pour mesurer les niveaux de sortie des haut-parleurs ou les valeurs de signal de crossover audio car les deux sont non-linéaires. Cela signifie que pour l'audio, ils augmentent ou diminuent basés sur des puissances de 10 (ils sont logarithmiques).

Un signe négatif devant indique une réduction, un signe positif ou aucun signe indique un gain.

Ex. : Un crossover avec une pente de -6 dB/octave aura une sortie réduite de 6 dB pour chaque octave (doublement ou division de la fréquence : 400 Hz, 800 Hz, 1 600 Hz, etc.) au-delà de la fréquence de coupure.

Qu'est-ce qu'un point de crossover de haut-parleur ?

Un point de crossover de haut-parleur est généralement appelé fréquence de crossover et est parfois écrit « Fc » pour représenter la « fréquence de coupure ». Un point de crossover de haut-parleur est la fréquence de coupure au-delà de laquelle les fréquences audio sont grandement réduites pour atteindre les haut-parleurs, les bloquant efficacement.

En termes techniques, c'est basé sur le point où la sortie du crossover a une perte de 3 dB. En termes de puissance électrique, le point -3 dB est la fréquence à laquelle la puissance au haut-parleur est réduite de 1/2.

À mesure qu'on s'éloigne de la fréquence de crossover (le point -3 dB), la sortie diminuera davantage jusqu'à être essentiellement zéro. Par exemple, pour un crossover tweeter -6 dB/octave avec une coupure à 1 kHz :

• Le tweeter aura une sortie de -3 dB à 1 kHz.
• À une octave de distance (500 Hz), la sortie sera de -6 dB.
• À des fréquences encore plus éloignées, la sortie sera proche de 0 décibels.

Choisir votre type de design de crossover et détails associés

Choisir un type de crossover et une pente

Voici quelques recommandations pour les meilleurs types de pente et d'ordre de crossover à utiliser selon votre système de haut-parleurs. Notez que ce sont généralement les plus populaires et fonctionnent pour la plupart des cas.

• Pour un crossover tweeter simple (passe-haut, pour les aigus) ou woofer/médium (pour passer un signal basse fréquence), un type 1er ordre, 6 dB/octave est généralement bien. Les designs 2e ordre, 12 dB/octave sont optionnels si vous voulez filtrer les fréquences indésirables encore plus nettement.
• Pour les systèmes 2 voies, un 2e ordre Linkwitz-Riley est souvent le meilleur compromis entre qualité sonore et performance. Bien que le 1er ordre soit simple et plus facile à construire, il n'est pas idéal à moins d'avoir une raison spécifique. Un autre avantage est qu'ils fournissent une sortie de haut-parleur en phase lorsqu'ils sont utilisés correctement (je couvrirai cela plus tard).
• Pour les designs 3 voies, un type 2e ordre est bien et évite aussi les problèmes de phase et autres complexités qui peuvent survenir.

Linkwitz-Riley vs Butterworth et autres types de crossover du 2e ordre

Les designs Linkwitz-Riley sont sans conteste l'un des plus couramment utilisés pour plusieurs raisons – la principale étant sa réponse plate où les sorties du woofer et du tweeter se chevauchent au point de crossover. D'autres designs comme Butterworth, Chebychev et Bessel n'offrent pas la même réponse en fréquence bien qu'ils offrent divers gains utiles pour des objectifs de design spécifiques.

Le crossover Linkwitz-Riley (L-R) est un excellent choix pour construire un design de haut-parleur standard avec sa pente de -12 dB par octave et sa bonne sortie (plate).

Le crossover L-R du second ordre est une configuration tout-passant qui somme à une magnitude plate...

La réponse en magnitude plate, la faible sensibilité au décalage, et les résonances des haut-parleurs dans la bande passante ont fait du L-R un choix populaire parmi les fabricants. Vance Dickason, The Speaker Design Cookbook (7e éd.)

Bien que ce soit un sujet séparé, le crossover L-R n'est pas sensible à la résonance du haut-parleur, ce qui est un autre avantage. Si vous êtes intéressé à en apprendre plus, je vous encourage à vous procurer une copie de The Loudspeaker Design Cookbook de Vance Dickason.

Comment trouver vos valeurs de fréquence de crossover

La bonne nouvelle est qu'il y a plusieurs façons de savoir quelle fréquence de crossover choisir pour concevoir et construire le vôtre :

1. Recommandations du fabricant.
2. La réponse en fréquence du haut-parleur si cette spécification est fournie. (Ce n'est pas toujours disponible, malheureusement !)
3. Règles générales basées sur le type et la taille des haut-parleurs que vous avez (tweeters vs woofers, petit cône vs grand cône, etc.).

Vous finirez probablement par utiliser 2 ou plus des éléments ci-dessus pour obtenir les meilleurs résultats.

Note : Je couvrirai aussi les enceintes 3 voies séparément plus bas car elles sont un cas un peu spécial. Voir ci-dessous.

1. Recommandations du fabricant

Si vous avez de la chance, votre fabricant de haut-parleurs aura fourni une bonne plage de fréquence pour l'utilisation. Pour l'exemple ci-dessus, vous choisiriez une fréquence de crossover d'au moins 3,5 kHz, ce qui arrive à être une valeur très courante.

2. Graphique de réponse en fréquence du haut-parleur ou spécifications

Si vous avez la chance d'avoir un graphique de réponse en fréquence avec les haut-parleurs que vous voulez utiliser, vous pouvez voir les zones où ils ont une mauvaise sortie et utiliser cela comme guide. Ce sont les zones que vous voudrez éviter.

Pour ce faire, choisissez une fréquence de crossover éloignée de cette plage. Lors de l'utilisation de configurations 2 ou 3 voies, cela devrait idéalement être le point où l'autre haut-parleur ou haut-parleurs peuvent aussi produire du son. L'idée est de trouver un « point milieu » que les deux peuvent produire jusqu'à ce point sans trou, ou plage de sortie significativement plus faible.

D'après l'exemple ci-dessus, on voit que le tweeter montré a une bonne sortie jusqu'à quelque part en dessous de 2 kiloHertz (2 kHz). Sachant cela, nous voudrons choisir une fréquence de crossover d'au moins 2 kHz ou plus.

3. Taille et type de haut-parleur

Pour choisir la coupure nécessaire basée sur la taille et le type de votre haut-parleur, les règles de pouce suivantes sont utiles :

• Les tweeters utilisent un petit haut-parleur qui ne peut pas gérer les basses ou médiums dans de nombreux cas. La plupart peuvent produire du son à partir d'environ 3 kHz et au-dessus, donc une coupure passe-haut à 3 kHz ou 3,5 kHz est généralement un excellent choix.
• Un médium utilisé dans un design 2 voies est généralement aussi bon jusqu'à 3 kHz-3,5 kHz. [Pour un médium dans un design 3 voies, voir mes notes plus bas.]
• Les woofers qui produisent des fréquences médiums-graves ont souvent besoin d'un passe-bas autour de 120 à 250 Hz.
• Les subwoofers font mal avec autre chose qu'une plage de très basses fréquences, donc 80-100 Hz sont souvent les meilleurs. 120 Hz s'applique dans certains cas aussi.

Notes sur les fréquences de crossover 3 voies

Bien que cela puisse ne pas sembler être le cas, les crossovers 3 voies ne sont pas juste une simple extension d'un design 2 voies. L'idée ici est d'utiliser un design crossover tout-passant (APC) avec une grande plage de fréquence entre la fréquence de passe-haut et la fréquence de passe-bas.

C'est à cause d'interactions indésirables qui peuvent se produire s'ils sont trop proches. Vous pouvez utiliser mon tableau ci-dessous ou cette règle générale basée sur le rapport de la coupure passe-haut (Fh) et passe-bas (Fl) :

Bon ratio crossover 3 voies : Fh/Fl = 8 ou plus.

Quelques excellentes fréquences de crossover 3 voies à utiliser sont :

• 3 kHz / 375 Hz
• 5 kHz / 625 Hz
• 6 kHz / 750 Hz

Pour utiliser le ratio 1:8 ci-dessus, choisissez la fréquence supérieure et divisez par 8 pour obtenir la 2e. De même, vous pouvez choisir une fréquence inférieure et multiplier par 8 pour obtenir une bonne coupure supérieure.

Notez que les designs 3 voies ont une sortie médium avec un niveau dB plus haut ou plus bas. Dans ce cas, le design 3 voies a un gain de 2,45 dB par rapport aux sorties tweeter et woofer, ce qui est assez petit.

En général, plus les deux points de crossover sont éloignés, meilleure sera la réponse combinée des haut-parleurs (trois octaves est un bon point de départ).

Des points de crossover plus proches que l'idéal de trois octaves souffriront de motifs d'interférence indésirables complexes. Vance Dickason

Concevoir le circuit de crossover et trouver les valeurs de composants

Une fois que vous avez les éléments suivants :

• Le type de crossover dont vous avez besoin.
• Les fréquences de crossover.
• Vos haut-parleurs et leur impédance (valeur en Ohms).

...vous pouvez vous mettre au travail ! La bonne nouvelle, ce ne sera pas très difficile – vous n'avez pas à faire les calculs vous-même à moins de préférer. Vous pouvez utiliser mon calculateur de crossover de haut-parleur pour vous donner les valeurs de composants dont vous avez besoin.

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Utiliser un calculateur de crossover

C'est assez explicite, mais pas d'inquiétude car j'ai fourni des instructions sur la page du calculateur. Entrez vos valeurs et sélections pour :

• Le type de crossover (un schéma sera affiché pour le clarifier).
• Les impédances des haut-parleurs utilisées.
• La/les fréquence(s) de crossover selon les besoins.

Notez ou sauvegardez les valeurs, soit sur les schémas ci-dessous, soit ailleurs où vous pourrez les retrouver.

SCHÉMAS – schémas de réseau de crossover à imprimer et utiliser

Cliquez ici pour voir ou imprimer les schémas de crossover fournis pour construire votre crossover DIY. De l'espace est prévu sur l'impression pour noter vos valeurs de composants calculées si vous le souhaitez.

Rassembler vos composants

Achats de composants pour crossover

Vous aurez besoin des types de composants suivants au minimum :

• Condensateurs électrolytiques non polarisés (bipolaires) avec une tension nominale suffisante. C'est généralement environ 48 V ou plus.
• Inductances à noyau d'air, bien que les types à noyau de ferrite (bobine ferrite) soient aussi bien mais pas requis.

Les condensateurs sont notés en Farads et généralement vendus en « microFarads », aussi parfois écrit avec le symbole grec Mu (µF, 1/1 000 000 de Farad) ou avec un petit « u » (uF). Les inductances sont mesurées en Henries et généralement vendues en milliHenries (1/1 000 de Henry) écrit « mH ».

Condensateurs bipolaires vs polarisés

Les condensateurs polarisés sont le type le plus courant mais ne fonctionneront pas pour l'audio – vous DEVEZ utiliser des types non polarisés. C'est parce que 1) ils ne peuvent pas gérer une tension alternative (CA) qui s'inverse et 2) ils peuvent distordre le son et même échouer. Les condensateurs non polarisés permettent au signal musical électrique de passer correctement.

Les condensateurs bipolaires (« BP », non polarisés) sont généralement marqués comme tels, tandis que les types polarisés ont un côté avec une bande marquant la connexion négative.

Tensions nominales des condensateurs

Les condensateurs ne peuvent pas gérer une tension appliquée supérieure à leur valeur maximale. 48 V ou plus est une bonne règle de pouce, bien que vous puissiez calculer la valeur minimale vous-même en utilisant la loi d'Ohm si vous connaissez la puissance RMS de l'ampli comme suit :

V (volts) = racine carrée(Puissance x ohms du haut-parleur)

Par exemple, un ampli avec 50 W par canal sur un haut-parleur de 8 ohms aura une tension de sortie d'environ racine carrée(50 x 8) = 20 V. Une tension nominale plus élevée serait bien, mais nous ne voulons pas descendre en dessous de 20 V. Nous utiliserions la pièce la plus grande nominale suivante que nous trouvons ou plus.

Tolérances des valeurs de composants (pourquoi ne pas chercher des valeurs « parfaites »)

Les condensateurs électrolytiques et inductances à noyau d'air ont une tolérance d'environ plus ou moins 20 % de leur valeur étiquetée (+/-20 %). Des pièces plus chères peuvent avoir 10 % ou moins, ce qui est bien mais pas vraiment nécessaire.

Je dis cela pour faire passer le message que :

• Aucun condensateur ou inductance n'aura une valeur parfaite – ils varient légèrement de leur valeur nominale.
• Vous n'avez pas besoin d'une valeur exacte, mais plutôt l'objectif est de s'en approcher assez près de la valeur dont vous avez besoin.
• Inductances, condensateurs et résistances sont vendus en valeurs standardisées et vous ne trouverez presque jamais la valeur EXACTE. Dans de nombreux cas, elle n'est pas en stock chez un fournisseur et ne vaut pas le temps de chercher sans fin.

Par exemple, un condensateur étiqueté 4,7 µF (4,7 microFarad) peut avoir une valeur réelle d'environ 3,76 à 5,64 µF lorsqu'il est mesuré avec du matériel de test. (Il sera probablement autour de 4 à 5 µF mais vous voyez ce que je veux dire). Il en va de même pour les inductances.

Dans ce cas, vous achèteriez un 4,7 µF s'il est raisonnablement facile à obtenir, mais sinon, la bonne nouvelle est qu'il y a une autre façon.

ASTUCE : Comment obtenir les valeurs de composants dont vous avez besoin si vous ne les trouvez pas

Il y a un moyen simple de gérer le fait de ne pas trouver les valeurs exactes de composants. L'astuce est d'utiliser plusieurs composants de crossover de manière à ce qu'ils s'additionnent près de ce que vous recherchez.

• L'inductance s'additionne quand elles sont connectées en série et se divise quand câblées en parallèle.
• La capacité s'additionne (somme) quand elles sont câblées en parallèle. La capacité totale se divise quand connectées en série.

Cela signifie que vous pouvez utiliser des pièces de rechange ou acheter d'autres pièces de valeurs différentes qui sont disponibles pour accomplir la même chose !

Pièces diverses dont vous aurez besoin

Je ne saurais trop recommander d'être préparé. Voici une liste générale de ce dont vous aurez besoin pour construire et enfermer vos crossovers passifs :

• Boîtier de projet (si non monté directement dans une enceinte de haut-parleur), idéalement en plastique ABS.
• [Optionnel] Plaque de prototypage (breadboard) ou autre matériau plat pour surface de montage.
• Fil de haut-parleur ou fil divers pour connecter les composants entre eux et aux bornes.
• Papier de verre ou lime à métal pour enlever l'émail isolant des bouts de fil d'inductance.
• Bornes de connexion : j'utilise une bande de bornes double rangée en ligne car elles sont relativement faciles à trouver, pas chères, et peuvent être montées avec des vis.
• Adhésif pour monter vos pièces : adhésif général, adhésif à base de silicone, ou bâton de colle chaude et pistolet à colle chaude (bien que non recommandé pour les zones chaudes).
• [Optionnel] Étiquettes : Ruban adhésif transparent Scotch ou ruban d'expédition et papier blanc + marqueur permanent ou imprimante noir & blanc.
• Outils à main typiques : pinces coupantes ou à bec long, tournevis cruciforme, et autres selon besoins.

ASTUCE : Lors de l'achat d'un boîtier de projet, sachez que les colonnes de filetage de vis prennent de l'espace interne. Vous devrez peut-être acheter une taille légèrement plus grande si l'espace est trop juste.

Je recommande toujours de vérifier combien d'espace vous aurez besoin basé sur la taille de vos condensateurs et inductances.

SCHÉMA – Comment construire votre crossover de haut-parleur

Préparer le circuit et les composants pour l'assemblage

Une fois que vous avez vos pièces et le schéma, il est temps de sauter dedans ! Pour construire vos crossovers, je recommande de faire ce qui suit :

• Placez les condensateurs et inductances dans la boîte de projet pour déterminer le meilleur placement avant de commencer à construire. Parfois l'espace est serré et vous ne voulez pas de problèmes quand vous êtes déjà au milieu de la construction du circuit.
• Si vous utilisez une plaque de montage ou plaque de circuit, mesurez entre les colonnes de vis de couvercle. C'est important car beaucoup de boîtiers plastiques ont des bases de vis qui prennent de la place à l'intérieur. Coupez votre plaque selon les besoins pour s'adapter à cette zone.
• Bien qu'il soit possible de trouver une bande de bornes à une seule rangée, elles sont difficiles à obtenir. Je recommande d'utiliser une bande double rangée car elles sont abordables et beaucoup plus faciles à trouver.
• Avec le couvercle sur la boîte, placez la bande de bornes légèrement en dessous du haut pour laisser assez de place au câblage pour sortir sous le couvercle quand il est en place. En utilisant un marqueur permanent ou un couteau, marquez la zone au-dessus et coupez cette section de plastique.

Montage et connexion de vos composants

• Je recommande d'utiliser un adhésif non permanent comme la colle chaude et un pistolet à colle, du silicone, de la colle contact, de la Gorilla Glue, etc. pour monter les pièces. Ainsi, vous pouvez les retirer plus tard si vous devez modifier le design ou réutiliser les pièces.
• Pour les températures chaudes, la colle chaude n'est vraiment pas géniale. La colle chaude peut se détacher de la surface de montage par temps chaud et ne colle pas bien aux surfaces lisses comme le plastique ABS non plus. Pour cette raison, je ne la recommande pas dans la plupart des cas.
• Les inductances utilisent du fil magnétique qui a un isolant en émail que vous devrez enlever avec du papier de verre grossier, une lime ou un outil Dremel. Pour souder les bouts de fil, vous devrez exposer la surface du fil et fournir une bonne zone de contact propre.
• Vous pouvez utiliser du fil de haut-parleur de rechange ou du fil de raccordement multibrins pour connecter les composants ensemble.

Vous pouvez aussi utiliser des connecteurs à sertir au lieu d'un fer à souder et de la soudure, bien que je recommande personnellement la soudure pour la meilleure connexion possible.

En suivant le schéma de crossover, connectez chaque section à la suivante et revérifiez votre travail.

Placement correct des inductances

Les inductances, comme vous le savez peut-être, fonctionnent en augmentant la force du champ magnétique en utilisant des boucles de fil. À cause de cela, il est possible qu'une induise un couplage magnétique (interférence) qui peut induire un signal ou une distorsion dans une autre.

Pour éviter cela, si possible, montez-les à une différence de 90° comme montré dans le schéma ci-dessus ou à un minimum d'environ 7,5 cm (3 pouces). Je commence par les placer dans les coins opposés de la boîte quand je construis les miens.

Mise dans le boîtier de projet

Une fois que vous avez construit le circuit de crossover, placez l'assemblage complet dans la boîte et utilisez un peu d'adhésif pour le maintenir à l'intérieur si vous le souhaitez (optionnel). Connectez le câblage côté ampli, côté négatif, et les fils de sortie haut-parleur à la bande de bornes sur la rangée du haut.

Cela laissera la rangée du bas libre pour les connexions des haut-parleurs.

Bornes de haut-parleur et polarité du tweeter

Les réseaux du 2e ordre ont une différence de phase du signal de sortie de 180 degrés. Heureusement, contrairement aux designs d'ordre impair (1er ou 3e ordre), nous pouvons obtenir une sortie parfaitement en phase (0° de différence) facilement.

Pour ce faire avec des réseaux du 2e ordre :

• Systèmes 2 voies : inversez les connexions de sortie du crossover du tweeter aux bornes et connectez le tweeter comme vous le feriez normalement. Cela remet le tweeter en phase avec le woofer / haut-parleur de basses.
• Systèmes 3 voies : inversez la polarité du médium aux bornes pour le crossover.

[Optionnel] Ajout d'étiquettes de câblage haut-parleur

Vous voulez ajouter une touche supplémentaire ? Vous pouvez facilement faire vos propres étiquettes pour vos connexions d'entrée ampli et de sortie haut-parleur. Personnellement, je recommande les étapes suivantes :

• En utilisant du papier photocopieur ou imprimante, écrivez vos notes d'étiquette de connexion avec un marqueur permanent Sharpie. Optionnellement, vous pouvez imprimer avec une imprimante noir et blanc (bien que ce soit plus difficile d'aligner le texte parfaitement).
• Découpez les étiquettes avec des ciseaux.
• En utilisant du ruban transparent tel que du ruban d'expédition large, placez le ruban sur l'étiquette et coupez avec des ciseaux si nécessaire.
• Appliquez l'étiquette sur la boîte de projet.

Exemple d'un crossover DIY fini

Voici un exemple du mien – l'un de mes premiers projets de crossover DIY que j'ai construit moi-même. Comme vous pouvez le voir, il n'a pas à être parfait – mais doit être bien connecté, utiliser les bonnes pièces, et être assemblé d'une manière pratique pour un usage quotidien.

Notez que si vous installez le vôtre directement dans une enceinte de haut-parleur, il n'est pas nécessaire d'utiliser une boîte de projet, mais le reste des étapes devrait toujours s'appliquer.

J'espère que vous avez trouvé mon guide utile. Voici pour profiter d'un bon son comme vous l'aimez – et prouver que vous pouvez le faire vous-même !

Plus de ressources utiles sur les crossovers que vous apprécierez

• Consultez mes calculateurs L-pad, Ohms haut-parleur, et autres calculateurs audio ici.
• Apprenez plus de détails sur ce que font les condensateurs et inductances dans un crossover.
• Voici beaucoup plus d'infos utiles sur ce qu'est une fréquence de crossover.
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