Qu'est-ce qu'une fréquence de crossover ? À quoi sert un crossover ? Guide complet

Infographie — Faits sur les crossovers audio

Qu'est-ce qu'une fréquence de crossover ? Que fait un crossover ?

Fréquence de crossover et bases du crossover résumées

• Les crossovers sont des circuits électriques ou électroniques qui modifient ou séparent un signal musical entrant vers une ou plusieurs sorties. Ils envoient la bonne plage de son vers le haut-parleur dont la réponse en fréquence est la mieux adaptée. (Ex: tweeters et woofers dans un système 2 voies)
• Un filtre de crossover fonctionne sur le principe de filtres passifs ou électroniques pour bloquer une plage de son dans le signal audio.
• Une fréquence de crossover est la fréquence sonore qui sert de point de coupure pour les filtres de crossover. C'est le point de fréquence au-delà duquel les signaux sont réduits de 3 décibels (représenté -3 dB) et davantage plus on s'en éloigne.
• Les sorties d'un crossover sont les plages de signal autorisées à passer : passe-haut (basses bloquées) et passe-bas (aigus bloqués)
• Il y a 2 types de crossovers : actif (électronique) et passif (crossover d'enceinte). Les deux sont très courants en home, auto stéréo et audio pro.

Ils sont critiques pour une bonne fidélité sonore. En fait, vous trouverez presque jamais un bon système d'enceintes qui n'utilise pas 1 ou plusieurs types de crossovers.

Les 2 types de crossovers pour votre home ou auto :

• Un crossover actif (électronique)
• Un crossover passif (crossover d'enceinte)

Fréquences de crossover expliquées

Comme les tweeters ne produisent pas de sons graves, ils distordent et peuvent être endommagés par les basses lourdes. Pour éviter ça, on bloque les sons indésirables. (Montre une fréquence typique à 3 500 Hz [3,5 kHz]).

La fréquence de crossover est le point de fréquence sonore à partir duquel les sons au-delà seront fortement réduits, les bloquant efficacement. On l'utilise comme point de référence où la sortie vers un haut-parleur (ou l'entrée vers un ampli, pour crossovers actifs) est réduite de 3 décibels (-3 dB).

Parfois appelée fréquence de coin ou fréquence de coupure, elle sert de point de départ dans les calculs mathématiques pour le design audio.

Que signifie « fréquence » sonore ?

La fréquence d'un signal musical est décrite par le nombre de fois par seconde qu'une onde alternative est complétée.

Quand on parle de « fréquence », on fait référence à une plage de son que l'oreille humaine peut entendre. Par convention, une plage de 20 à 20 000 Hertz (20 à 20 kiloHertz, ou 20 000 Hz) représente cela.

En réalité, l'oreille humaine entend environ 30 Hz à 16 kHz, selon les capacités auditives.

Hertz représente des unités de fréquence en cycles par seconde. C'est parce que les ondes sonores (et signaux audio électroniques) sont faites d'ondes alternatives qui se produisent plusieurs fois par seconde.

« Hz », « KiloHertz », « kHz » sont des abréviations (Kilo = mille).

Voici les plages sonores les plus courantes que les crossovers gèrent :

• Basses : 20-100 Hz environ
• Médiums : (voix, instruments, etc.) ~100 Hz à ~3 kHz
• Aigus : (sons haute fréquence) Environ 3 kHz à 20 kHz

Comment fonctionne un crossover ? Qu'est-ce qu'un crossover d'enceinte ?

1. Bases du crossover actif (électronique)

Exemple typique de crossover électronique actif séparé. Une paire de sorties jack fournit une sortie passe-haut vers l'ampli pour piloter tweeters ou paire principale. La 2e paire est souvent une sortie crossover subwoofer.

La section crossover interne d'un ampli auto est faite de composants électroniques basiques : résistances variables, puces amplificateurs opérationnels, condensateurs, résistances fixes. Ce sont essentiellement des crossovers électroniques intégrés à l'ampli, évitant d'en utiliser un séparé.

Les crossovers électroniques sont aussi appelés « actifs » car contrairement aux crossovers d'enceintes, ils ont besoin d'une source d'alimentation. Alors que les crossovers passifs se connectent directement aux bornes de sortie haute puissance d'un ampli, les crossovers électroniques ne travaillent qu'avec des signaux basse tension.

Ils se connectent aux entrées RCA niveau ligne ou à un autoradio, ampli auto, ou récepteur AV home par exemple.

Comment fonctionnent les crossovers électroniques

Gauche : Un circuit intégré amplificateur opérationnel (Op amp) (CI) typique, le Texas Instruments TL072. Droite : Exemple de circuit passe-bas utilisant un op-amp pour filtrer les sons haute fréquence.

Les crossovers électroniques peuvent sembler très compliqués (et le sont, dans certains sens) mais reposent sur des principes assez basiques.

Ils fonctionnent avec divers circuits de filtres électroniques basés sur un composant très courant : l'amplificateur opérationnel (« op amp »). Les op-amps sont de minuscules amplificateurs multi-usages utiles pour amplifier ou modifier un signal d'entrée de multiples façons.

Avec résistances et condensateurs, ils contrôlent le signal musical.

Schéma d'un crossover électronique typique. Ici, le canal stéréo gauche du crossover intégré d'un ampli auto Alpine est montré.

Ils peuvent changer de mode via un interrupteur. Utilisent souvent des résistances ajustables (potentiomètres) pour changer la fréquence de coupure.

Une fois un signal d'entrée appliqué, vous obtenez les sorties suivantes selon le type :

• Filtre passe-haut : Bloque les basses subwoofer des tweeters ou enceintes principales. Permet plus de volume sans distortion car petits haut-parleurs ne gèrent pas bien basses lourdes.
• Filtre passe-bas : Bloque voix et autres sons haute fréquence qu'un woofer ou subwoofer ne reproduit pas bien. Aussi appelé canal LFE pour sortie subwoofer récepteur home.
• Filtre passe-bande : Combinaison des deux — limite la sortie aux seules fréquences médiums (pour un médium dédié).

2. Crossovers d'enceintes (passifs)

Haut : Crossovers composants 2 voies pour kits composants auto. Bas : Crossover home stéréo comme dans une enceinte bibliothèque. Les deux utilisent condensateurs et bobines pour filtrer et contrôler le son vers tweeter, médium ou woofer.

Les crossovers d'enceintes sont parfois appelés « passifs » car ils n'ont pas besoin d'alimentation externe. Ils fonctionnent avec composants passifs : condensateurs et bobines.

Un crossover d'enceinte est un circuit électrique qui utilise bobines et condensateurs pour filtrer un signal d'enceinte et le répartir sur 1 ou plusieurs sorties. Les sorties dépendent de la réponse en fréquence des haut-parleurs utilisés.

Contrairement aux crossovers électroniques, ils se connectent normalement aux sorties d'un ampli puis par câble HP vers vos haut-parleurs, un par canal.

Un crossover 2 voies du 2e ordre est montré ici. Les bobines utilisent un symbole « L » et les condensateurs un « C ». Un type « 2e ordre » a un second étage de composants pour filtrer plus efficacement qu'un design du 1er ordre.

Condensateurs et bobines ont des propriétés intéressantes selon la fréquence du signal appliqué :

• Les condensateurs ont plus de « résistance » (appelée impédance) à un signal basse fréquence qu'à un plus haut. Plus la fréquence est basse, moins de signal passe.
• Les bobines sont des bobines de fil qui ont plus de résistance à un signal haute fréquence qu'à un plus bas. Elles filtrent donc les hautes fréquences sonores.

Quand un condensateur ou une bobine reçoit un signal au-delà de la fréquence de crossover, la résistance augmente, réduisant la tension de sortie du haut-parleur car elle est perdue à travers le composant.

Cela signifie que le haut-parleur recevra de moins en moins du signal qu'on veut bloquer plus la fréquence sonore s'éloigne du point de crossover. Les valeurs des composants sont choisies selon l'impédance (Ohms) du haut-parleur car cela affecte leur comportement.

Note : Les crossovers d'enceintes ne fonctionnent qu'avec l'impédance pour laquelle ils sont conçus, sinon ils ne sonneront pas pareil.

Par exemple, utiliser un crossover home 8 Ohms avec un haut-parleur auto 4 Ohms ne marchera pas correctement. Les valeurs des composants étaient choisies pour une impédance seulement. Changer cela change dramatiquement la fréquence de crossover !

Les crossovers d'enceintes sont conçus de multiples façons mais ont tous la même structure de base — seuls les détails changent.

Ils sont souvent étiquetés « 1er ordre », -6 dB/octave, « 2e ordre », -12 dB/octave, etc. Les designs 2e, 3e ordre, etc. utilisent les mêmes principes mais avec plus d'étages, ou « ordres », ajoutés pour être encore plus efficaces à bloquer le son.

Que sont les décibels et pourquoi les utilise-t-on en audio ?

Les crossovers (et beaucoup d'autres électroniques audio) sont mesurés en Décibels. Les Décibels (« dB ») sont une façon mathématique commode de gérer des nombres qui sont des puissances de 10, contrairement aux nombres linéaires. Montre un exemple de calcul de la réduction, en dB, d'une sortie de crossover.

Dans le monde réel, beaucoup de mesures traitent de choses qui n'augmentent/diminuent pas en ligne droite (« linéaire ») mais en courbe (« non-linéaire », ou logarithmes).

Je ne vais pas vous ennuyer avec des maths lourdes, mais on utilise les Décibels en audio comme façon mathématique de mesurer les signaux électriques musicaux. C'est parce que beaucoup de choses se passent en courbes, pas en ligne droite.

Une grande partie du monde audio travaille avec puissances de 10 (logarithmes, dont vous vous souvenez peut-être de l'algèbre). D'où le besoin d'une façon de les gérer — c'est là que la représentation dB est utile.

Et ce n'est pas juste les crossovers : même vos oreilles sont logarithmiques. La façon dont nos oreilles perçoivent le volume fonctionne sur une échelle logarithmique.

Qu'est-ce qu'une pente de crossover ?

Diagramme montrant la pente, ou raideur de coupure, pour les types les plus courants. Les crossovers ont des « ordres » — 2e, 3e, ou plus d'étages qui augmentent leur capacité à filtrer les fréquences sonores indésirables.

La pente est la raideur de la capacité de filtrage d'un crossover. En d'autres termes, son efficacité au-delà du point de fréquence de crossover.

Les pentes, comme la fréquence de crossover, sont catégorisées en décibels (dB) par octave. Le symbole négatif montre qu'elles représentent une atténuation, ou réduction, du signal.

En audio, on mesure couramment une plage de fréquences entre deux points par octave. Une octave = doublement ou division par deux d'une fréquence (100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, etc.)

Un crossover avec coupure -6 dB par octave réduit la sortie de 6 dB supplémentaires à chaque doublement de la fréquence précédente.

Exemple : -6 dB @ 1 kHz, -12 dB @ 2 kHz, -18 dB @ 4 kHz, -24 dB @ 8 kHz, -32 dB @ 16 kHz, jusqu'à 20 kHz.

Quelles sont les pentes de crossover les plus courantes et les meilleures ?

Les crossovers sont généralement conçus pour un bon compromis entre complexité, prix et qualité sonore. Bien qu'on puisse penser « plus l'ordre est haut, mieux c'est » serait toujours vrai, ça se complique au-delà du 2e ou 3e ordre.

Généralement, une pente de -12 dB est souvent le meilleur choix et marche bien pour la plupart des systèmes. Un subwoofer sonne généralement très bien avec une pente de 12 dB ou 18 dB.

Une raison : design relativement abordable et simple mais bonne capacité de coupure. Marche bien pour enceintes simples ou 2 voies.

En général, les pentes les plus utilisées sont :

• -6 dB
• -12 dB
• -18 dB

Les crossovers électroniques et 2 voies d'enceintes sont typiquement -12 dB.

Qu'est-ce qu'une enceinte 2 voies ?

Enceintes 2 voies courantes en auto ou home. Très similaires sauf que home stéréo sont dans une boîte alors que auto peuvent être installées séparément.

Qu'est-ce qu'une enceinte 2 voies ?

• Les systèmes 2 voies utilisent deux haut-parleurs pour produire une plage complète de son avec meilleure qualité. Le signal audio d'un ampli stéréo est divisé entre les haut-parleurs par un crossover 2 voies.
• Les enceintes 2 voies sont le type le plus courant au monde, beaucoup offrent bas coût avec bon son.
• Un tweeter produit les hautes fréquences et un woofer produit médiums et basses de la musique.
• Bien que le type de crossover varie selon les modèles, un crossover 2e ordre avec pente -12 dB/octave est très courant. Il évite aussi un problème appelé déphasage possible avec d'autres designs.

Chaque haut-parleur reçoit seulement la plage qu'il produit bien :

• Tweeters : seulement hautes fréquences — typiquement ~3 kHz et au-dessus
• Woofers : seulement basses fréquences — typiquement ~3 kHz et en dessous

La fréquence de crossover utilisée varie selon les besoins du design, pas de valeur unique universelle. De plus, ils doivent être utilisés avec la bonne impédance (Ohms) pour les haut-parleurs prévus.

Les coaxiaux sont aussi des enceintes 2 voies. Dans l'exemple, on voit les crossovers à l'arrière du haut-parleur. Comme les crossovers séparés, basses vers grand woofer, aigus vers tweeter.

Le résultat est une plage complète sans distortion ni mauvaise performance qu'on aurait en essayant de jouer la même plage avec un seul haut-parleur. En d'autres termes, une enceinte 2 voies offre un son propre et détaillé qu'on n'obtiendrait pas autrement.

Dans beaucoup de cas, pas besoin de composants ou enceintes chers pour un bon son. Même des 2 voies budget peuvent sonner très bien !

Quelle est une bonne fréquence de crossover ?

Il n'y a pas de jeu parfait de fréquences de crossover pour toutes les enceintes. Ça dépend de beaucoup de choses. Voici cependant les plus courantes qui marchent bien dans beaucoup de cas.

Basé sur les besoins home/auto les plus courants et mon expérience en design/installation d'enceintes.

Quelle fréquence de crossover utiliser ?

Tableau des fréquences de crossover recommandées

Type Enceinte/Système	Freq. Crossover & Type
Subwoofers	70-80 Hz (passe-bas) — Meilleur pour basses pures, claires qui « frappent ».
Enceintes principales auto (large bande)	56-60 Hz (passe-haut) — Bloque basses graves causant distortion ou « butée ».
Tweeters ou enceintes 2 voies	3-3,5 kHz (passe-haut, ou passe-haut/passe-bas) — La plupart crossovers 2 voies ou 1 voie (tweeter) utilisent une fréquence près de celle-ci
Médium/woofer	1k-3,5 kHz (passe-bas) — Woofers et beaucoup de médiums ne performent pas bien au-dessus de cette plage générale.
Système 3 voies	500 Hz & 3,5 kHz (points crossover woofer/tweeter) — Similaire aux 2 voies, la freq. haute serait la même.

Pourquoi un crossover est important pour de bonnes basses subwoofer

Un crossover passif subwoofer ne peut pas égaler la performance d'un électronique pour de bonnes basses.

Vous êtes-vous demandé comment certains ont des basses pures et percutantes en auto, ou pourquoi votre subwoofer home cinéma sonne si bien ? C'est grâce aux crossovers électroniques d'aujourd'hui. Contrairement aux enceintes large bande, un subwoofer est particulièrement sensible au mauvais son si des fréquences médiums sont laissées passer. Le son de basses pures que vous avez entendu nécessite un bon crossover.

Un vrai subwoofer a une réponse en fréquence limitée (~20 à 100 Hz typiquement) donc il faut en tirer le maximum.

Bien qu'il soit possible d'avoir des basses correctes avec une grosse bobine passe-bas encombrante et parfois difficile à trouver, elles ne sonnent souvent pas aussi bien qu'un crossover électronique avec une meilleure coupure qui bloque voix et aigus.

De plus, certains incluent un bass boost pour ajouter du punch quand vous voulez plus de thump — ce n'est tout simplement pas possible avec un passif. Ils ne gèrent pas non plus les hautes puissances sans une énorme et coûteuse bobine.

Comment utiliser un crossover pour le remplissage arrière (rear fill)

Un problème avec un système stéréo utilisant enceintes arrière : les canaux arrière peuvent « tirer » l'image stéréo derrière vous et brouiller le son. C'est parce que les sons aigus servent de repères à notre cerveau pour savoir d'où ils viennent. C'est une raison pour laquelle on tourne souvent le fader plus vers l'avant que l'arrière.

Quand nos oreilles l'entendent depuis l'avant et l'arrière, ça ne sonne souvent pas tout à fait bien. En surround jouant du surround, ce n'est pas un problème car déjà mixé pour sonner bien. Mais avec vos satellites en stéréo, vous verrez vite le problème.

Pour un meilleur rear fill dans votre auto ou home, une astuce simple : utiliser un filtre passe-bas pour bloquer médiums et aigus. Essayez 1 kHz ou 500 Hz passe-bas et voyez ce que vous en pensez !

Lecture recommandée

Je recommande vivement le fameux Loudspeaker Design Cookbook. C'est une source excellente d'infos incluant formules pour construire vos propres projets audio pro home ou auto. Je parle d'expérience !

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