Pourquoi les haut-parleurs ne fonctionnent jamais comme ils le devraient.

(Première partie)

Une des parties les plus difficiles pour que ce que transmettent les haut-parleurs ressemble à de la vraie musique est la présence d’une faille dans la conception physique de base – particulièrement dans les basses fréquences – sur pratiquement tous les types de mécanisme d’un haut-parleur. Que ce soit un cône ou un panneau, plusieurs haut-parleurs de quelque type que ce soit, qui ne soit pas  l’hélicoptère de Bruce Thigpen (une conception ventilateur avec axes de rotation variable), ou l’un des haut-parleurs au plasma, la mobilité d’un haut-parleur relève d’un diaphragme avant arrière qui comprime l’air à l’avant et le réduit à l’arrière pour produire le son. Ce simple fait cause un problème de base qui, à ma connaissance, n’a jamais encore été résolu, et qui ne le sera peut-être jamais résolu.


La difficulté avec n’importe quelle conception de mouvement interrompu (encore une fois, tout autre qu’un ventilateur en mouvement constant Thigpen ou un ensemble sans diaphragme au plasma) est que le diaphragme – le cône, le panneau ou quoi que ce soit qui se déplace d’avant en arrière – doit avancer, arrêter, reculer, arrêter, avancer à nouveau, arrêter à nouveau, et ainsi de suite, puis accélérer, se déplacer et s’arrêter, deux fois pour chaque onde sinusoïdale unique qu’il reproduit. La fréquence d’une tonalité est le nombre de fois qu’une forme d’onde d’un composant identique est répétée à chaque seconde. Une tonalité de 20 Hertz, par exemple, se compose de 20 formes d’onde identiques, chaque vingtième de seconde, répétées autant de fois que la tonalité est longue. (Avec deux séquences départ/déplacement/arrêt par onde, une tonalité de 20 Hertz d’exactement une seconde découlerait donc de 40 telles séquences telles que décrites.) Et, si c’est une forme d’onde complexe, comme la musique, qui a plusieurs fréquences reproduites simultanément, le nombre de ces séquences pourrait être beaucoup plus grand, à la limite de ce que requiert la musique.

Pour une bonne reproduction du son, les parties les plus importantes de ces séquences sont le départ et l’arrêt, parce qu’ils impliquent un changement de vitesse, tandis que, pour aussi longtemps qu’il dure (ce qui pourrait facilement être jamais – surtout si plus d’une seule fréquence est concernée), la partie déplacement est simplement, après  la pleine vitesse atteinte, un déplacement libre à vitesse constante.

Pour que le diaphragme atteigne la vitesse de pointe – la partie d’accélération, soit en avant ou en arrière – c’est impossible à faire avec une précision absolue en raison des effets de l’inertie sur n’importe quel corps physique. Un diaphragme physique, parce qu’il possède de la masse1, nécessitera toujours plus de temps zéro pour rattraper le mouvement qu’en exige le signal moteur, et ainsi il y aura quelques sous-dépassement dans le mouvement de démarrage du diaphragme. Et puis, après que le signal moteur a cessé, et qu’il a lancé la phase inversée pour obtenir que le diaphragme commence dans la direction opposée, l’inertie entrera, une fois de plus, en jeu pour créer un dépassement – une poursuite du mouvement due à l’inertie après que la force motrice s’est arrêtée et que la polarité s’est inversée.

1 Il y a eu des haut-parleurs qui ont requis un diaphragme sans-masse, notamment l’Ionovac, la Plasmatronics, le magnat, et le toltèque pleine gamme de la France. En fait, parce que le diaphragme pour la plupart, est un volume en expansion ou en sous-traitance de l’air et que l’air possède de la masse, cette revendication n’a pas été tout à fait exacte. Aucun de ces haut-parleurs n’a réussi commercialement, et beaucoup ont, en produisant de l’ozone, constitué un danger pour la santé des personnes qui se trouvaient dans la même pièce lors d’une exposition prolongée.


Alors que l’inertie, liée au sous-dépassement ou au dépassement, ne peut jamais être complètement éliminée de tout haut-parleur qui utilise un diaphragme physique, obtenir une accélération ou décélération plus rapide est comparativement facile. Il suffit de concevoir votre diaphragme aussi léger que possible et de concevoir votre moteur (la combinaison d’aimant-et-bobine ou autre arrangement alimenté par le signal) aussi grand que possible par rapport à lui. Plus le moteur est puissant par rapport à la masse du diaphragme, plus le diaphragme peut se déplacer aussi rapidement qu’il le doit afin de suivre avec précision le signal audio. Cependant il ne sera jamais complètement exact, parce qu’aucun objet matériel ne peut jamais avoir une masse zéro1 (c’est-à-dire, moins que négligeable), et c’est ce qui serait nécessaire pour surmonter l’inertie et accélérer ou décélérer en zéro temps, exactement en fonction du signal moteur. Et tant que le mouvement du diaphragme est différent du mouvement du signal (la vitesse et l’amplitude du changement), il y aura des distorsions et, dans le cas des haut-parleurs, une reproduction moins que parfaite du son.

La partie du mouvement du diaphragme que les haut-parleurs auraient pu être mieux en mesure d’aborder, mais qui, jusqu’à présent, ont eu un succès moins que le maximum possible, est l’arrêt. Ceci est en partie, le résultat de l’inertie et, en partie, le résultat d’un élément de base dans la conception de la plupart des haut-parleurs.

La première loi du mouvement de Newton (également connue sous le nom de la Loi de l’inertie) qui dit un objet en mouvement tend à rester en mouvement à moins qu’une force extérieure agisse sur elle [et]… si l’objet est au repos, il restera au repos à moins qu’une force déséquilibrée agisse sur elle. La force externe nécessaire pour amener un objet en mouvement au repos instantanément – pour l’arrêter à l’instant même, qui est ce que nous souhaitons idéalement faire avec un diaphragme de haut-parleur en mouvement –, peut être calculée à l’aide de la formule F = ½ MV2, où F est la force requise, M est la masse de l’objet, et V2 est le carré de la vitesse à laquelle l’objet se déplace. C’est aussi la formule de l’énergie cinétique – l’énergie du mouvement – qui, afin d’arrêter instantanément un objet qui en dispose, doit être instantanément contrée par une force égale et opposée à l’énergie cinétique totale de cet objet.

Les choses importantes à propos de l’énergie cinétique et la force nécessaire pour la contrer, sont que les deux doivent disposer des deux mêmes déterminants, soit la masse et la vitesse. Cette masse (sauf à des fractions significatives de la vitesse de la lumière) reste constante pour tout objet – dans ce cas, un diaphragme de haut-parleur – même à une vitesse croissante ou décroissante, et l’effet de la vitesse dans la formule est exponentiel, soit non pas doublé, mais quadruplé ou se divisé en quatre chaque fois que la vitesse est doublée ou divisée en deux.

Il n’y a rien qui soit intrinsèquement bon ou mauvais à ce sujet. Il s’agit tout simplement de  physique. Là où il y a une différence, cependant, c’est lorsque des changements dans le niveau de sortie de l’enceinte – soit une augmentation ou une diminution (plus fort ou plus doux) peuvent, en supposant toujours le(s) même(s) haut-parleurs, se produire UNIQUEMENT par des changements dans la vitesse du diaphragme. La même fréquence ne peut être produite que par le même nombre d’excursions du diaphragme par seconde, et peu importe le changement dans le nombre d’excursions par seconde, ceci produira une fréquence différente. Cela signifie que, pour simplement rendre le son d’une enceinte acoustique plus fort ou plus doux sans changer sa fréquence, la SEULE chose qui peut être faite est de garder le nombre d’excursions par seconde identique, mais changer la distance parcourue par le diaphragme pour chaque excursion. En bref, changer la vitesse de déplacement.

Et enfin, là est le problème, c’est-à-dire l’apport de force nécessaire pour contrôler le mouvement du diaphragme varie exponentiellement, tandis que la force disponible pour le contrôler varie uniquement en proportion arithmétique directe sur le mouvement total.

Parce qu’ils sont, de loin, les plus communs de tous les types de haut-parleurs, particulièrement en ce qui a trait au fonctionnement de basse fréquence, toutes les références futures aux haut-parleurs dans cet article, sauf indication contraire, concerneront des haut-parleurs de type conique. Pour ceux-ci, il n’y a que quatre façons possibles de contrer ou de contrôler le mouvement de la membrane, soit 1) l’encadrement – la bague flexible plissée en forme de demi-dôme (généralement de papier ondulé traité, de caoutchouc, ou de mousse plastique souple) autour de la circonférence extérieure du cône, qui le maintient centré tout en lui permettant de se déplacer d’avant en arrière sans entrave dans les limites de ses paramètres de conception ; 2) la suspension arrière, le membre plissé ondulé, souvent composé de papier traité ou de tissu de résine phénolique traité, qui fait la même chose à la petite extrémité du cône ; 3) le signal de l’amplificateur, à la fois pour la musique et pour le facteur d’amortissement en réponse à l’EMF arrière du (des) haut-parleur(s) ; et 4) l’air qui s’accroche sur le diaphragme, soit comme masse de l’air libre à déplacer par le diaphragme pour répondre au signal moteur ou en tant qu’effet de pression dans une boîte fermée (déflecteur infini ou infinite baffle) ; une très petite boîte fermée (un système de suspension acoustique) ; ou les pressions résonantes ou de chargement d’une boîte à portée, ligne de transmission ou boîtier de pavillons acoustiques.

Toutes ces choses (à l’exception éventuelle de la partie d’amortissement du signal de l’amplificateur) fonctionnent de façon linéaire avec l’effet de l’encadrement et de la suspension arrière étant strictement conforme à la Loi de Hooke, qui dit de tout ressort conventionnel que la Force (F) nécessaire pour l’étendre ou le compresser par une distance X quelconque, sera mise à l’échelle de manière linéaire par rapport à cette distance. (Ce qui signifie, par exemple, que de le compresser à la moitié ou de l’étirer pour le doubler, nécessitera en conséquence la moitié ou le double de la force du ressort). Parce que la quantité de changement dans la force du ressort sera toujours la même, proportionnellement, lors du changement de compression ou d’extension (ou de pliage, pour les ressorts à feuilles, ou autre) ces ressorts sont connus comme ressorts à taux constant.
Il existe d’autres types de ressorts qui offrent des taux de compression progressifs, ce qui signifie que, tout comme avec un ressort hélicoïdal enroulé progressivement, différentes quantités d’extension ou de compression entraîneront des quantités croissantes ou décroissantes de force résistive par unité de changement. L’air emprisonné dans une boîte scellée, telle un déflecteur infini (infinite baffle) ou une enceinte comportant un haut-parleur à suspension acoustique, peut également agir comme un ressort progressif (ou à taux variable) – avec le taux de résistance au changement dans un volume captif d’air devenant plus ou moins grand ou petit à mesure que le volume est progressivement augmenté ou réduit par le mouvement du ou des diaphragme(s) du ou des haut-parleur(s) confiné(s). Il est également possible de concevoir des enceintes et des suspensions arrière avec des taux de ressort variable (non linéaire), mais je n’en connais aucun sur le marché actuel2. Une des raisons pour cela pourrait être que, ni les pressions changeantes dans un volume d’air fermé ni aucun taux progressif ne rend possible la fabrication dans un encadrement ou une suspension arrière pouvant être suffisant, soit individuellement ou ensemble, pour fournir la force de changement exponentielle précise permettant de contrôler une membrane de haut-parleur fonctionnant sur une large gamme de niveaux de volume.

2 Bien que je ne connaisse aucun haut-parleur commercial qui utilise une conception de suspensions arrière progressive, de telles choses sont disponibles auprès de fournisseurs comme celui-ci : https://fixmyspeaker.com/Product-Category/Spiders/. Les encadrements d’action progressive peuvent également être disponibles, soit en utilisation commerciale, soit en tant qu’OEM ou en pièces de rechange, mais une recherche n’a révélé aucune référence à aucun haut-parleur ni à aucun  fournisseur de ceux-ci.

À toutes fins raisonnables, les facteurs disponibles pour contrôler le mouvement du diaphragme d’un haut-parleur semblent tous être à taux unique, ce qui signifie qu’ils répondront toujours aux changements de mouvement de la membrane de façon linéaire avec un doublement ou une moitié de mouvement (vitesse) en train de doubler ou de réduire de moitié la force de contrôle possible.

La linéarité des éléments de ressorts d’un système d’enceintes acoustiques, y compris la souplesse réelle de ceux du ou des haut-parleurs et les fonctions équivalant au ressort et/ou résonant grâce à l’air dans l’enceinte du haut-parleur, le pavillon acoustique ou la ligne de transmission, affectent directement les performances sonores de chaque haut-parleur compronant un mouvement départ-arrêt. Nous verrons les conséquences de cela et lui trouverons une solution potentielle dans la prochaine partie de cet article.

Joignez-vous à nous.

La partie 2  suivra sous peu…