Comment déterminer la fréquence de coupure des filtres d'enceintes (crossovers)

Les filtres (crossovers) peuvent être déroutants quand on cherche le meilleur son. Ça n'aide pas que certains fabricants ne donnent pas d'infos claires !

Dans cet article facile à comprendre, j'explique :

• Les bases importantes des filtres d'enceintes (crossovers)
• Comment déterminer la fréquence de coupure dont vous avez besoin
• Comment trouver la fréquence pour de nombreux types de filtres que vous voudriez utiliser
• Tableaux pratiques de fréquences de coupure utilisables tout de suite

Lisez la suite pour apprendre l'essentiel pour un meilleur son.

Que fait un filtre d'enceinte (crossover) ? Pourquoi sont-ils utiles ?

Les filtres d'enceintes ont plusieurs fonctions, le but principal étant d'améliorer la qualité sonore :

• Bloquer les fréquences sonores indésirables que les enceintes ne peuvent pas bien produire (causant distorsion ou risque de dommage).
• Répartir le signal musical pour envoyer certaines portions sonores vers l'enceinte la plus adaptée.

Exemple : les tweeters sont sensibles aux basses et ne produisent pas les médiums, on ne veut pas les driver avec la basse du caisson surtout à haute puissance. Un filtre rend ce blocage possible.

De même, woofers ou subwoofers sonnent affreusement si on leur envoie des fréquences aiguës destinées aux tweeters. On utilise un filtre passe-bas pour bloquer cette plage indésirable pour un son propre et agréable.

C'est crucial pour les subwoofers conçus pour et performant mieux avec de la basse pure. Un filtre passe-bas avec fréquence de coupure basse donne ce son grave qu'on aime.

Les filtres d'enceintes sont très courants dans beaucoup de systèmes home ou voiture, surtout enceintes 2 voies ou kits composants.

Comment fonctionnent les filtres d'enceintes ?

Les filtres utilisent un comportement intéressant des condensateurs et inductances :

• Les condensateurs laissent passer plus facilement les hautes fréquences (leur opposition au courant augmente quand la fréquence baisse). C'est le principe de réactance capacitive.
• Les inductances laissent passer plus facilement les basses fréquences (leur opposition augmente quand la fréquence monte). C'est la réactance inductive.

Condensateurs et inductances combinés créent des filtres plus efficaces et divisent la plage sonore produite par une enceinte. Très courant en 2 voies home ou voiture.

Avec formules mathématiques, les concepteurs choisissent les bonnes valeurs de composants pour un filtre adapté aux enceintes utilisées.

Exemple : quand des basses passent dans un passe-haut, la résistance totale est très haute = très peu de sortie vers l'enceinte. Quand des hautes fréquences sont présentes, résistance beaucoup plus faible = signaux passent sans problème.

Les enceintes ont des plages sonores où elles performent le mieux, aussi appelée réponse en fréquence. Cette limite est utilisée lors de la conception des filtres.

Qu'est-ce que le point de coupure (crossover point) ?

Le point de coupure est normalement appelé fréquence de coupure, souvent noté « Fc ». C'est la fréquence de coupure au-delà de laquelle les fréquences audio sont bloquées pour ne pas atteindre les enceintes.

En termes techniques, la fréquence de coupure se trouve au point -3 décibels (dB) de la sortie du circuit de filtre. En termes de puissance électrique, le point -3 dB est la fréquence où la puissance vers l'enceinte est réduite de moitié.

Au-delà de la fréquence de coupure (point -3 dB), la sortie diminue de plus en plus loin de la coupure. Exemple : pour un passe-haut -6 dB/octave avec coupure 1 kHz :

• Sortie -3 dB à 1 kHz.
• À une octave (500 Hz), sortie -6 dB.
• À fréquences encore plus éloignées, sortie près de 0 dB.

Les filtres ne sont pas parfaits

Dans un monde parfait, les filtres bloqueraient 100% du son indésirable au-delà du point. Mais ils ne sont pas parfaits. Ils atténuent, ou réduisent, la sortie au-delà de la fréquence de coupure. D'où une pente courbe douce sur un graphique.

Les pentes de filtre sont décrites par leur raideur = efficacité à bloquer les fréquences. Elles sont en dB par octave et toujours multiples de 6 dB. Car les filtres utilisent des étages (sections), chacun avec un condensateur ou inductance unique donnant 6 dB de réduction par étage.

Note : Une octave décrit un point ou plage de fréquences audio. Une octave = moitié ou double d'une fréquence, généralement marquée en fréquences standard.

Exemple : 60 Hz, 120 Hz… 1 kHz, 2 kHz, etc.

Que sont les filtres 1er, 2ème, 3ème ordre ?

Les filtres d'ordre supérieur utilisent des sections condensateur/inductance additionnelles « empilées » pour une coupure plus efficace. Maths légèrement différentes mais principe de base identique.

• Filtres -12 dB/octave : très courants, bon compromis entre blocage fréquences et coût composants. Beaucoup d'amplis home/voiture avec filtre électronique intégré offrent pente 12 dB.
• Filtres -6 dB/octave : minimum à utiliser, moins efficaces.
• Filtres -18 dB et ordres supérieurs : coupure plus raide mais pas nécessaire souvent.

Pour le point de coupure des enceintes elles-mêmes, ça dépend de plusieurs choses comme vous verrez.

Comment déterminer la fréquence de coupure pour les enceintes

Quelques façons de savoir quelles fréquences de coupure utiliser :

• La réponse en fréquence de l'enceinte dans les specs si fournie.
• Le type et taille des enceintes (tweeters vs woofers, petit vs gros cône, etc.).
• Recommandations du fabricant.

Souvent, on utilise 2+ de ces éléments pour les meilleurs résultats. Pour organiser, je divise en 2 selon le type de filtre.

1. Trouver la fréquence de coupure pour filtres premier ordre (en ligne/inline)

Les « bass blockers » (coupe-basses) sont des filtres premier ordre (un étage) en ligne utilisés avec tweeters ou petites enceintes pour bloquer les basses. Si vous ne connaissez pas la fréquence de coupure, vous pouvez la calculer avec un peu de maths.

Les filtres premier ordre utilisent un seul condensateur ou inductance en ligne. Usages courants :

• Condensateur en ligne pour tweeters ou gros condensateur pour bloquer basses vers petites enceintes.
• Inductance en ligne pour filtrer les aigus vers un médium.

Pour savoir quelle fréquence il vous faut (si vous ne la connaissez pas déjà), commencez par vérifier la réponse en fréquence de l'enceinte dans les specs. Problème : les fabricants listent parfois les fréquences qu'une enceinte peut techniquement produire, pas la plage qu'elle produit bien.

Utiliser un graphique de réponse en fréquence

Avec un graphique de réponse en fréquence, vous voyez les zones où l'enceinte a une mauvaise sortie (ex: volume bien plus bas en bas du graphique). Choisissez une fréquence de coupure éloignée de cette mauvaise plage.

Si vous avez la chance d'avoir un graphique de réponse en fréquence avec vos enceintes, vous voyez où elles ont une sortie pauvre. Ce sont les zones à éviter. Choisissez une fréquence de coupure hors de cette plage.

Dans l'exemple ci-dessus, le tweeter a une bonne sortie jusqu'à environ 2 kHz. On voudra donc une fréquence de coupure d'au moins 2 kHz ou plus.

Utiliser les fréquences de coupure recommandées

Certains fabricants incluent une plage de fréquence recommandée. Facile à utiliser comme guide. Pour l'exemple ci-dessus, on choisirait au moins 3,5 kHz, qui est une fréquence très courante.

À surveiller

Malheureusement, beaucoup de fabricants listent la réponse en fréquence basée sur la plage qu'ils peuvent produire mais pas bien. Exemples :

• Petites enceintes large bande ou médiums listées jusqu'à 35 Hz (basses graves). Mais les petites enceintes ne produisent presque jamais bien les graves profonds.
• Médiums ou woofers usage général listés supportant fréquences hautes dans l'aigu (tweeter). Ex: 4 kHz ou plus. Mais woofers ou médiums-graves performent presque jamais bien dans les aigus.

Dans les deux cas, ignorez ces cotes de réponse en fréquence inhabituellement hautes et vérifiez le graphique si fourni.

Comme certaines fréquences de coupure sont très courantes, j'ai fait un tableau (ci-dessous, section suivante) qui simplifie le travail. Vous pouvez les utiliser comme guide dans la plupart des cas.

2. Trouver la fréquence de coupure pour filtres 2ème ordre ou plus (systèmes 2 voies ou plus)

Pour les systèmes 2 ou 3 voies, c'est un peu plus compliqué mais pas beaucoup. C'est un compromis entre le bon filtre pour le woofer et le tweeter.

Pour systèmes 2 ou 3 voies, la bonne fréquence de coupure est un point milieu permettant aux deux de travailler ensemble sans trou dans le son produit. En d'autres termes, choisissez une fréquence permettant à chacun de performer dans sa plage optimale.

Exemple filtre 2 voies

Dans l'image, on voit des enceintes typiques avec leur plage recommandée. Pour déterminer la fréquence de coupure, on choisit une combinaison de :

• En dessous de la fréquence max recommandée pour le woofer.
• Au-dessus de la fréquence min recommandée ou spécifiée pour le tweeter.

Souvent, comme ici, ce serait un point milieu vers 3 000 Hz ou 3 500 Hz. On peut utiliser l'un ou l'autre car les composants de filtre tout faits sont probablement dispo à l'achat, facilitant la construction de son propre système.

Systèmes 3 voies

Similaires aux 2 voies, différence : le filtre du médium (milieu) est passe-bande. Comme pour 2 voies, on choisit une fréquence intermédiaire dans la plage de travail médium vs tweeter et médium vs woofer. (Voir mes recommandations ci-dessous)

Quelle est une bonne fréquence de coupure pour les enceintes ? Directives & tableau

Bonne nouvelle : la plupart du temps vous irez bien avec les fréquences de coupure les plus courantes ci-dessous selon taille ou type d'enceinte. Car enceintes et systèmes sont si souvent utilisés de la même façon que les fréquences courantes s'appliquent généralement.

Vous pouvez déterminer les fréquences de coupure pour vos enceintes, home ou voiture, avec les tableaux ci-dessous.

Tableau fréquences de coupure home stéréo

Type d'enceinte/système	Fréquence de coupure
Subwoofer (caisson de grave)	80 Hz passe-bas. (Recommandation THX aussi)
Enceintes principales/colonnes frontales (petites)	60 à 80 Hz passe-haut. Marche mieux avec subwoofer pour les compléter.
Enceintes principales/colonnes frontales (grandes)	40 – 60 Hz passe-haut.
Centrale ou surround (petites)	100-120 Hz passe-haut. Ces enceintes sont très mauvaises pour les basses.
Centrale ou surround (moyennes/grandes)	50-60 Hz passe-haut.
Enceintes murales ou mini satellites	100-120 Hz passe-haut.
Systèmes 2 voies	3 kHz à 3,5 kHz. Fréquence de coupure très courante
Systèmes 3 voies	3,5 kHz (médium/aigu) & 500 Hz (médium/woofer)

Tableau fréquences de coupure stéréo voiture

Type d'enceinte/système	Fréquence de coupure
Subwoofers (caissons)	70-80 Hz passe-bas
Enceintes large bande ou composants avant/arrière	~56-60 Hz passe-haut pour bloquer basses graves
Tweeters	3-3,5 kHz passe-haut
Médiums ou woofers (principaux)	1 kHz-3,5 kHz pour bloquer sons aigus tweeter
Systèmes 2 voies	3 kHz à 3,5 kHz. Fréquence de coupure très courante
Systèmes 3 voies	3,5 kHz (médium/aigu) & 500 Hz (médium/woofer)

Directives générales :

• Pour petites enceintes home ou voiture (4", 5 1/4", 6 1/2" etc) utilisez un passe-haut vers ~56-60 Hz pour bloquer basses graves. Cela évite la distorsion et permet de driver les enceintes avec plus de puissance/volume et clarté.
• Les subwoofers ont besoin d'un signal basse pure obtenu par un passe-bas vers 70-80 Hz.
• Les tweeters sont généralement bons vers 3 kHz et au-dessus, donc 3 kHz ou 3,5 kHz sont d'excellents choix.

Comment trouver la fréquence de coupure d'un filtre d'enceinte existant

Et si vous avez déjà un filtre mais ne connaissez pas sa fréquence de coupure ? Bonne nouvelle : dans beaucoup de cas, on peut la déduire de la valeur du composant et de l'impédance de l'enceinte.

Il faut connaître :

• La valeur d'un condensateur (en Farads) ou inductance (en Henries) pour un filtre simple (« 1er ordre ») en ligne.
• Pour filtres 2 ou 3 voies, c'est similaire mais demande un peu plus d'investigation.

Comment déterminer la fréquence de coupure d'un filtre d'enceinte

1. Filtres condensateur ou inductance premier ordre (en ligne)

Avec les formules ci-dessus, vous pouvez calculer la fréquence de coupure pour une enceinte donnée.

Pour filtres passe-haut ou passe-bas en ligne, on calcule la fréquence si on connaît l'impédence de l'enceinte (Ohms) et la capacitance ou inductance. Processus identique dans les deux cas.

Exemple #1

Impédance enceinte = 8 Ω, condensateur = 47 microFarads.

Fc = 1 / (2 x 3,14159 x 8 x 0,000047) = 423 Hz (environ 400 Hz).

Exemple #2

Impédance enceinte = 4 Ω, inductance = 4 milliHenries (0,004 H).

Fc = 4 / (2 x 3,14159 x 0,004) = 159 Hz (environ 150 Hz).

2. Filtres 2 voies ou 3 voies

Les filtres 2 et 3 voies sont différents pour plusieurs raisons. Malheureusement, comme il y a différents types et que les fabricants ont parfois des designs ou fonctionnalités différents, ils peuvent être très durs à déterminer. En d'autres termes, il n'y a pas de bonne façon de trouver la fréquence de coupure exacte d'un filtre 2 ou 3 voies.

Cependant, il y a souvent quelques astuces pour approximer la fréquence et se rapprocher du « bon secteur ». J'utiliserai un 2 voies comme exemple car très courant et les 3 voies sont similaires avec une section de filtre en plus.

Utiliser du matériel de test pour déterminer la fréquence de coupure

Si vous avez la chance d'avoir un oscilloscope et générateur de signal, vous pouvez appliquer un signal à l'entrée avec enceintes ou résistances de même valeur Ohms en sortie. Variez la fréquence du générateur et notez le point où la tension de sortie commence à baisser.

Quand la tension de sortie diminue de moitié, c'est le point -3 dB et vous avez trouvé la fréquence de coupure. Malheureusement, la plupart n'ont pas accès à ce matériel.

Utiliser un calculateur de filtre et « suppositions éclairées »

J'ai passé beaucoup de temps à essayer de déterminer divers filtres que j'ai eus et malheureusement, comme ils varient tant, c'est extrêmement dur de trouver leur fréquence de coupure. Raisons :

• Certains filtres réduisent le volume du tweeter en ajoutant une résistance en série. Cela affecte les valeurs des composants car l'impédance change le fonctionnement du filtre.
• Les composants installés n'ont pas toujours leurs valeurs imprimées.
• Différents designs (Linkwitz-Riley, Butterworth, Bessel, etc.) utilisent des valeurs différentes.
• Difficile de deviner le design d'un filtre juste en le regardant.
• Certains filtres 2 ou 3 voies mélangent 2ème ordre tweeter et 1er ordre woofer dans le même design.

Mon conseil : essayez de choisir une fréquence de coupure « meilleure estimation » parmi celles que j'ai données plus haut, entrez les valeurs Ohms des enceintes et partez de là.

Un bon calculateur de filtre simple à suivre : https://www.erseaudio.com/Second-Order-2-Way

Comment utiliser le calculateur de filtre

Par exemple, commencez avec un nombre rond comme 3 000 Hz pour un 2 voies comme fréquence de départ « meilleure estimation ». Cliquez le bouton pour calculer les valeurs de composants pour différentes fréquences.

Vérifiez une des valeurs de condensateur (généralement celles en haut du circuit sont pour le tweeter) et changez la fréquence de coupure de plusieurs centaines de Hz si la valeur de condensateur affichée est très loin de la valeur calculée au début.

Une fois que ce n'est plus extrêmement loin, affinez en changeant plus précisément (ex: par pas de 250 Hz ou même 100 Hz).

Une fois relativement proche, vous aurez une meilleure idée de la fréquence approximative. Note : s'ils utilisent une résistance en série avec la sortie tweeter, ajoutez-la à l'impédance (Ohms) dans la case d'entrée car ça fait une différence du double.

(Note : à cause des différents designs, vous devrez peut-être sélectionner Linkwitz-Riley, Butterworth, Bessel, ou Chebechev et essayer ceux disponibles aussi)

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