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Un subwoofer

Le caisson de basses, ou subwoofer, est une inve tien très ancienne remise à la mode par les techniques du Home Cinéma. L'idée consiste à charger un seul "boîtier", de diffuser les basses fréquences de tous les canaux à la fois. La notion de direction de la source émettrice de pression disparaît pour les ondes sonores de très basse fréquence, que l'oreille ne parvient pas à localiser dans un espace relativement restreint. Il est tentant dès lors de ne pas multiplier les enceintes acoustiques restituant les basses fréquences, car cela représente à chaque fois un encombrement non négligeable, et de tout grouper en choisissant une qualité plus élevée pour le caisson chargé du grave de toutes les voies.

L'air offre d'autant plus de résistance à une membrane en mouvement que la fréquence est élevée. Pour des sons très graves, le volume d'air à déplacer pour obtenir une sensation sonore de puissance équivalente est beaucoup plus important que pour les sons du registre médium. Dans l'aigu, l'air ne se déplace que très peu pour produire des sons intenses. Pour cette raison, une contrebasse est de dimensions beaucoup plus importantes qu'un violon et les instruments de musique qui produisent des sons graves sont encombrants. Il en est de même pour les enceintes acoustiques et ce principe peut être contourné en partie par des procédés astucieux, mais on ne peut produire des basses à niveau sonore élevé sans une grande membrane en mouvement, contenue dans un grand coffret.

La longueur d'onde varie de façon inverse de celle de la fréquence. Les sons graves sont de grande longueur d'onde par exemple 100 Hz correspond à une longueur de 3,40 m ; on trouve 6,80 m pour 50 Hz et 17 m pour 20 Hz. Pour que les pressions sonores puissent se développer complètement dans un local clos, il est souhaitable que les différentes dimensions de ce local soient de l'ordre de la demi-longueur d'onde. Vous pourrez constater que les sons très graves sont souvent mieux perçus dans une pièce voisine communicante que dans celle où la source sonore se trouve installée.
A cause de ce phénomène, la perception de l'origine de la source sonore est difficile à établir pour les sons graves. L'oreille utilise le plus souvent pour localiser des sons de cette nature, d'autres fréquences plus élevées qui accompagnent les vibrations à très basse fréquence. Cela peut être les harmoniques naturels d'un son musical ou des bruits parasites produits par le vent et qui servent à repérer la vibration que l'on ne peut entendre directement. Si l'on veut quantifier cette notion pour des sons purs, il faut établir une relation entre la distance qui sépare les différents points d'émission sonore de l'auditeur et la fréquence à partir de laquelle il sera possible de déterminer la provenance des sons. L'origine d'un son d'une fréquence de 200 Hz sera repérée avec une précision voisine de 1 à 2 mètres, celle d'une fréquence de 30 Hz sera localisée à plus de dix mètres près. Le son des tuyaux les plus grands utilisés dans l'orgue, et qu'on ne fait jamais parler seuls semble provenir en nappes depuis les voûtes et se répandre dans une cathédrale comme l'eau d'un barrage effondré, sans localisation possible. Il faut dire qu'il s'agit de fréquences aussi basses que 16 Hz, voire en dessous.

Autre remarque, la psycho- acoustique nous apprend que l'oreille reconstitue naturellement la fréquence fondamentale d'un son complexe si elle est manquante, à partir de ses partiels. C'est ainsi que l'on peut expliquer que des enceintes acoustiques miniatures font entendre des sons de très basses fréquences comme s'ils étaient restitués intégralement. Une écoute attentive fait apparaître que la sensation de puissance va différencier une enceinte qui restitue réellement le grave de celle qui en fait une synthèse reconstruite par effet psycho-acoustique.
C'est une vieille recette qui nous provient de la gravure du microsillon qui est à l'origine du caisson de basses que nous rencontrons aujourd'hui dans les installations Home Cinéma. A partir de la constatation que les sons graves n'ont pas besoin 'être différents sur les deux canaux stéréophoniques, puisque la localisation par l'oreille de l'origine du son n'est pas possible, les industriels du disque ont inventé un procédé de gravure dite "compatible" qui fait passer la prise de son de la stéréophonie à la monophonie en dessous de 150 Hz Environ. Cela était employé pour éviter au saphir du pick-up de danser follement sur un sillon gravé différemment sur ses deux flancs aux basses fréquences, là où les amplitudes sont les plus grandes. Cette idée, de mélanger les deux voies stéréophoniques pour n'en faire qu'une seule lorsqu'il s'agit du registre grave, a inspiré les constructeurs de systèmes Hi-Fi. Inutile d'installer deux voies d'amplification et deux boomers s'ils font la même chose. Avec deux satellites prenant en charge les registres du médium et de l'aigu, on peut se contenter d'une seule voie pour le grave, spécialisée dans ce registre. Des réalisations spectaculaires ont vu le jour à partir de la fin des années 70, avec deux satellites minuscules qui faisaient entendre une musique stupéfiante, le caisson de basses se trouvant dissimulé derrière un fauteuil et produisant les impressions de puissance et de basses fréquences sans que l'on puisse le repérer. La mode est passée, mais quelques rares constructeurs ont continué à cultiver le genre, tels que Bose par exemple. La venue de cartes son et de lecteurs CD en informatique sur les micro-ordinateurs a relancé la formule, qui connaît dans ce domaine un certain succès.
Le subwoofer d'une installation Home Cinéma doit pouvoir restituer des fréquences vraiment basses à des niveaux sonores élevés. La gamme des caissons de basses proposés sur le marché est très large et cela va du système miniature jusqu'au véritable complément de basses qui prolonge la bande passante d'enceintes hautefidélité jusqu'à des fréquences subsoniques.

Nous ne retiendrons que les subwoofers qui incorporent leur propre amplificateur, les caisons passifs représentent une demi-mesure qui ne convient généralement pas aux amateurs de Home Cinéma. Il est vrai qu'il vaut mieux choisir de bonnes enceintes Hi-Fi pour les voies avant que d'installer à part les haut-parleurs qui devraient logiquement les équiper. Avec une amplification spécifique, tout devient plus facile, le filtrage, les réglages, l'installation, sans oublier certaines compensations de la courbe de réponse par voie électronique. D'ailleurs, la majorité des amplis-tuners et amplificateurs audio-vidéo n'en attendent pas moins puisqu'ils sont équipés d'une sortie spécifique "subwoofer" au niveau ligne, par prise Cinch.

 Les caractéristiques d'un subwoofer
Ce qui va déterminer les performances d'un subwoofer sera la puissance de l'amplificateur incorporé et la surface de membrane du ou des haut-parleurs. Généralement on en utilise un seul de grand diamètre, mais les montages à deux haut-parleurs permettent d'obtenir des dimensions plus compactes et de les monter en une sorte de push-pull acoustique qui présente des avantages. Certains constructeurs utilisent des radiateurs passifs à la place du second hautparleur. La dimension globale est généralement conditionnée par ce qu'il faut faire tenir à l'intérieur. Aujourd'hui, la valorisation apportée par de grandes boîtes n'est plus de mise et plus personne n'accepte un grand coffret qui ne sert à rien avec un tout petit haut-parleur à l'intérieur, le plus petit encombrement que l'on peut réaliser sans faire d'impasses sur la qualité ayant généralement les préférences des consommateurs.
Si l'on veut miniaturiser relativement l'ensemble, on est obligé d'employer des procédés qui produisent artificiellement une extension des dimensions. L'utifisation d'un mode d'accord en bass-reflex ajoute le rayonnement de l'évent à celui de la membrane. Avec certains caissons, l'émission sonore se fait par le dessous, vers le sol, qui représente un plan d'émission servant de charge acoustique. Dans d'autres, on piège l'émission de la membrane vers l'intérieur du caisson, soit dans un labyrinthe acoustique, mais cela coûte cher à réaliser, soit en fermant hermétiquement le coffret qui est rempli d'un matériau absorbant, tel que de la laine de roche. Un tel matériau, qui peut dans d'autres circonstances servir d'isolant thermique, produit un effet peu souvent mis en avant. La vitesse du son à l'intérieur d'une boire remplie d'un absorbant thermique est ralentie, ce qui revient à augmenter artificiellement les dimensions du caisson.
Une technique plus sophistiquée consiste à asservir la pression sonore produite au signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur incorporé. Pour cela on capte la pression produite par le haut-parleur et on la compare au signal appliqué à l'entrée. La différence est réinjectée à l'entrée de l'amplificateur et la correction se fait automatiquement, comme avec une contreréaction dans un amplificateur. Le capteur peut être un petit microphone à inertie collé sur le bord de la membrane ou encore un second haut-parleur sans membrane installé à l'intérieur du caisson (Velodyne). Cela ne résout pas les problèmes de bande passante au-delà des possibilités physiques de l'amplificateur et du haut-parleur installé dans sa charge, mais présente un avantage énorme, celui de réduire considérablement la distorsion, toujours élevée aux basses fréquences.

 Les réglages : de la fréquence de coupure haute, de niveau, de phase
Les subwoofers actuellement commercialisés disposent de diverses possibilités de branchement en haute ou basse impédance, ainsi que des réglages pour harmoniser sa diffusion avec les autres enceintes.
Le réglage de la fréquence de coupure haute a une incidence sur la netteté de transcription, la gamme de fréquences oÙ elles ne sont pas particulièrement à l'aise, en choisissant 120-150 Hz en sachant que plus on monte en fréquence, plus le caisson devra être placé à proximité des enceintes pour une fusion de diffusion cohérente (phénomène de localisation). Lajustage du niveau sur le caisson de grave demande la plus grande attention. En règle générale, on pousse trop le volume sur le subwoofer car on a "dépensé de l'argent dans cette boite" et on veut l'entendre. Passé le moment du "coup au plexus", on se rend compte qu'il faut être beaucoup plus modéré afin d'avoir du grave quand le message en contient et non pas à tout bout de champ. Pour cela, on peut prendre certaines bandes son de films très démonstratives (Il faut sauver le soldat Ryan, déflagration des explosions, qui doivent être de nature différente dans la tonalité, la puissance acoustique).
La commutation de la phase 0 ou 180' que l'on trouve sur la plupart des caissons de grave est intéressante pour trouver, après comparaison, la position qui offre le maximum d'intensité sonore, avec une véritable notion de pression, sans glissement du son à droite ou à gauche.


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