Traduction du Tech Talk du 27 avril 2024 publié par Harman Luxury Audio.

De nos jours, de nombreuses enceintes utilisent plusieurs haut-parleurs pour une même bande de fréquences. Bien que le modèle type soit généralement composé de haut-parleurs uniques pour les  basses, les basses et les moyennes, ou les hautes fréquences (ou d’un transducteur distinct pour chaque bande de fréquences), l'utilisation de plusieurs haut-parleurs pour une même bande du spectre audio peut apporter divers avantages en termes de performances. Cette méthode présente tout de même quelques écueils, mais, comme nous le verrons, il est possible de les minimiser, voire de les éliminer grâce à une conception soignée, et d'obtenir ainsi un produit de grande qualité. 

Les systèmes utilisant plusieurs haut-parleurs dans une seule « voie » du crossover comprennent notamment les enceintes colonnes avec plusieurs transducteurs de graves proches les uns des autres, les voies centrales avec plusieurs haut-parleurs de médiums-basses, et les grandes enceintes pour guitares utilisées sur scène par les groupes de rock. On pourrait donc croire que les observations qui suivent portent exclusivement sur les haut-parleurs reproduisant les fréquences les plus basses, mais elles peuvent également s'appliquer aux transducteurs de médiums ou de hautes fréquences. Plus loin dans cet article, nous verrons cela dit que le raccourcissement de la longueur d'onde avec l'augmentation de la fréquence tend à exclure la présence de plusieurs transducteurs voués aux fréquences les plus hautes dans les enceintes domestiques premium. Il existe cependant quelques cas particuliers où plusieurs haut-parleurs sont utilisés dans une configuration verticale, avec mise en forme minutieuse du signal, afin d'imiter le rayonnement d'une source ponctuelle : c'est le cas sur les modèles CBT de JBL Professional.

Lorsqu’une enceinte utilise des transducteurs multiples, les modifications induites peuvent être plus ou moins évidentes. La plus manifeste est la différence de taille – la multiplicité des haut-parleurs sous-tend une enceinte plus imposante certes, mais également une surface de cône plus importante. La présence de ces transducteurs implique au même titre un schéma de câblage spécifique, composé de câbles en série et en parallèle, qui peut modifier l'impédance de l’enceinte. D'autres facteurs moins évidents sont à prendre en compte, tels que le coût des haut-parleurs ainsi que leur effet acoustique principal - le lobing, ou le filtrage en peigne des fréquences les plus élevées. 

Dans le Tech Talk de juin 2019, j'ai abordé l'aspect dimensionnel des enceintes à haut-parleurs multiples. L'utilisation de plusieurs haut-parleurs augmente la surface du cône d'un facteur entier (2x, 3x, etc.) et donc, pour déplacer la même quantité d'air, les haut-parleurs se déplacent d'un facteur divisé par cet entier (x/2, x/3, etc.).

Cette zone d'émission supplémentaire par rapport à un haut-parleur simple nécessite donc moins d'excursion pour le même niveau de pression acoustique (SPL).  Étant donné qu'une plus grande distorsion est créée avec une excursion plus élevée, cela permet également de réduire la distorsion. Le niveau de pression acoustique et l'extension des basses s'améliorent à mesure que la capacité de déplacement du volume augmente. Le fait de pouvoir déplacer plus d'air par un facteur de deux ou plus améliore la capacité d'extension des basses profondes et augmente la marge de manœuvre concernant le niveau de pression acoustique. En règle générale, l'utilisation de deux haut-parleurs d'une même taille équivaut à une ou deux tailles de haut-parleurs supérieures en termes de surface d'émission (ainsi, deux haut-parleurs de graves de 8 pouces ont une surface de cône comprise entre celle d'un haut-parleur de graves de 10 pouces et celle d'un haut-parleur de graves de 12 pouces).

En outre, les haut-parleurs multiples offrent une plus grande surface d'émission, ou de rayonnement, tout en occupant un espace plus étroit, correspondant à de plus petits haut-parleurs. La popularité des formats plus compacts ces dernières années suggère que les enceintes de type « colonnes » sont la cible privilégiée de ce concept.  

Le raccordement des haut-parleurs peut se faire de deux manières. Je vais laisser de côté pour l'instant les cas où le haut-parleur a plus de composants en face de lui dans le filtre, et me contenter de souligner que les haut-parleurs peuvent être câblés en parallèle ou en série. Lorsqu'elle est câblée en parallèle, l'impédance d'un haut-parleur est divisée par le nombre de haut-parleurs, et lorsqu'elle est câblée en série, l'impédance est égale à celle d'un seul haut-parleur multipliée par le nombre de haut-parleurs utilisés. Le câblage en série n'est généralement pas utilisé seul, car il augmente la résistance de sortie de l'amplificateur et provoque davantage de fluctuations dans le bas du spectre.

Lorsque de nombreux haut-parleurs sont branchés en parallèle, l'amplificateur risque d'être soumis à une charge trop faible. L'enceinte pour guitare 4x12 illustre une façon de créer la charge appropriée - ses haut-parleurs sont câblés de façon à ce qu'il y ait deux ensembles de haut-parleurs câblés en série, puis ces ensembles sont câblés en parallèle. Le câblage en série double l'impédance du haut-parleur simple, puis le câblage en parallèle divise par deux cette double impédance pour créer la même impédance qu'un haut-parleur simple, ce qui correspond à la charge correcte de l'amplificateur.

Bien que l'impédance puisse sembler un sujet négligeable, elle a un effet important sur la sensibilité. Par rapport à un haut-parleur simple, la solution à haut-parleurs multiples aura un rendement plus élevé pour une entrée donnée. Il faut également calculer ce qui se passe avec la puissance.  Dans le cas de deux haut-parleurs parallèles, l'impédance est divisée par deux, ce qui double le courant et donc la puissance. Mais cela ne représente que 3dB, de sorte que l'effet de l'ajout d'un haut-parleur est de 6dB pour la surface supplémentaire moins les 3dB pour ajuster la puissance au même niveau que pour un haut-parleur, ce qui se traduit par une augmentation de 3dB de la sensibilité.

Un autre facteur lié à l'utilisation de haut-parleurs multiples est que si tous les haut-parleurs sont réglés de la même manière dans leur(s) enceinte(s) que le haut-parleur simple, le caisson sera autant de fois plus grand qu'il y a de haut-parleurs. Si le coffre de l'enceinte est plus petit, les paramètres des haut-parleurs doivent être ajustés ou l'atténuation des basses fréquences ne sera pas la même. En outre, étant donné que les moteurs et les châssis sont de taille proche de celle de deux haut-parleurs de taille standard, il est plus coûteux d'utiliser deux haut-parleurs légèrement plus petits.

De nombreux fabricants utilisent des haut-parleurs standards qui ne permettent ni la modification de leur impédance, ni celle de leurs paramètres. Mais les ingénieurs d'HARMAN Luxury Audio conçoivent des haut-parleurs dont les paramètres sont adaptés pour que les enceintes soient les plus petites possibles et que, grâce au câblage choisi, l'impédance finale corresponde à la charge correcte dans le système. Depuis toujours, chaque gamme est équipée de haut-parleurs spécifiques, dont certains sont réutilisés au sein de la même gamme lorsque cela s'avère nécessaire.

Une enceinte utilisant plusieurs transducteurs pour l'une de ses voies présente une dernière caractéristique qu'il convient d'examiner. Il s'agit de la somme des sorties des différents haut-parleurs. Celle-ci est fortement influencée par l'angle entre chaque haut-parleur et l'auditeur le long de la ligne entre les centres des transducteurs. Puisque ces derniers sont décalés, la longueur du trajet entre chaque haut-parleur et l'auditeur est différente. La différence entre ces distances est essentielle : lorsqu'elle est faible par rapport à la moitié de la longueur d'onde reproduite, il se produit une sommation constructive et le rayonnement est semblable à celui d'une source unique. Mais lorsque la longueur d'onde reproduite devient plus petite (la fréquence augmente) et s'approche même de multiples de cette différence de longueur d'onde, les sorties des haut-parleurs s'annulent et il se produit une sommation destructive ou une interférence. À 100 Hz, la longueur d'onde est d'environ 3 mètres, de sorte que les caissons de basse à deux haut-parleurs, comme indiqué dans l'exposé technique de 2019, ne sont pas affectés par la différence de longueur d'onde. C'est la situation avec ka inférieur ou égal à 1 dans l'image suivante.

À des fréquences plus élevées, la longueur d'onde diminue d'un facteur égal à l'augmentation de la fréquence.  Ainsi, à 1 kHz (10 fois 100 Hz), la longueur d'onde est 1/10 de celle à 100 Hz, soit environ 33.5cm. Maintenant, en fonction de l'espacement des haut-parleurs, des zéros peuvent se produire de manière très similaire au lobing d'un haut-parleur plus grand dans la direction de l'espacement des haut-parleurs multiples. C'est le cas dans le diagramme avec ka = 4 ou plus. Dans la « ceinture » de cet ensemble, où la largeur est celle d'un seul haut-parleur, le modèle de dispersion est similaire à celui d'un seul haut-parleur. Dans le cas des enceintes pour guitare 4x12, il s'agit d'un haut-parleur de 24 pouces (ou plus). 

A ce stade, il est facile de comprendre en quoi ceci est problématique - le fait de bouger la tête d'un côté à l'autre pendant l'écoute d'enceintes avec plusieurs haut-parleurs montés horizontalement produira un son plus ou moins fort à différentes fréquences en fonction de la position de la tête. 

Mais que peut-on faire à ce sujet ? La réponse la plus simple est de ne pas utiliser les haut-parleurs multiples à une fréquence où cela devient un problème.  Une autre solution consiste à ajouter une autre section de filtrage à l'un des haut-parleurs et à l'abaisser à une fréquence inférieure avant qu'il ne produise cet effet avec l'autre haut-parleur autorisé à monter en fréquence (ce que j'ai mentionné dans les paragraphes sur l'impédance).  Si un système à deux voies utilise cette fonction parce qu'il possède deux haut-parleurs de graves, il s'agit d'un système à deux voies et demie. Cela s'explique par le fait que le haut-parleur de graves qui s'accouple à l'appareil à haute fréquence n'est pas équipé d'un filtre passe-haut (autre que le caisson) comme le serait un haut-parleur de médiums.

Il convient de noter que les haut-parleurs de médiums et les tweeters classiques mesurent généralement entre 10 et 13 cm (4 et 5 pouces). Cela signifie que les centres des haut-parleurs ne peuvent pas être plus proches que 10 ou 13 cm, ce qui se traduit par une fréquence de 1 300 Hz à 1 700 Hz. Certains modèles ont donc des plaques frontales plus petites pour éviter ce phénomène acoustique, mais ils doivent finalement se contenter d'un seul haut-parleur pour les fréquences les plus élevées.

En résumé, nous constatons que l'utilisation de haut-parleurs multiples dans les enceintes demande beaucoup d'attention. La taille et le coût doivent être pris en compte, mais aussi la bande de fréquence d'utilisation. Et lorsque cette bande d'utilisation augmente en fréquence, les ingénieurs doivent être suffisamment habiles pour concevoir l'enceinte de manière à ce que ses propriétés acoustiques naturelles ne nuisent pas à la reproduction du son. Une fois que cela est fait, les haut-parleurs multiples peuvent avoir une distorsion plus faible, un rendement plus élevé et des basses plus profondes, et l'effort en vaut la peine.