Restitution des graves / Caisson de basses

Les graves, c'est quoi?

    La plage des fréquences audibles par l'homme humain (!) s'étale entre 20Hz et 20.000Hz. On peut partager cette plage en plusieurs sous-plages : grave - médium - aigü (dans l'ordre).

    En gros, les graves sont toutes les fréquences en dessous de 200Hz. Bien que cette plage soit réduite, en comparaison des autres, il ne faut pas les oublier, car leur rôle est souvent fondamental pour donner de l'ampleur au son. De plus, l'échelle des fréquences n'est pas linéaire, mais logarithmique :

Courbe tracée selon une échelle logarithmique (caisson clos)

Quel haut-parleur, pour quelle utilisation?

    La restitution des graves est d'autant meilleure que la surface de la membrane du haut-parleur est grande. C'est pourquoi on utilise en général des hauts-parleurs de diamètres supérieurs à 20cm. On parle alors de Boomer, ou de Subwoofer (ces noms proviennent des onomatopées boom boom et woof woof, tout comme pour les tweeters, dédiés eux aux fréquences aigües).
    De plus, les tailles sont plus ou moins standardisées : 8" (20cm), 10" (25cm), 12" (30cm), 15" (38cm), 18" (46cm).

Le plus gros que j'aie vu : un 80cm Clarion. ;-))

    En fonction de sa taille, on a vu qu'un haut-parleur peut donc reproduire des fréquences plus ou moins basses (un 46 descendra plus profond q'un 30, idéal donc pour l'extrème grave, mais donnera à l'inverse une basse moins 'tapante', moins sèche. Mais la taille de la membrane n'est pas le seul paramètre à entrer en compte : d'autres tout aussi importants mais moins visibles sont indispensables pour calculer quelle installation est la plus appropriée.

    On les appelle les paramètres de Thiele et Small (T/S parameters), des noms de leurs 'inventeurs'. Voici les plus importants :
    Vas : équivalence du volume d'air déplacé par la membrane.
    Fs : fréquence de résonance du haut-parleur (fréquence à laquelle on observe un pic d'impédance) en général, plus elle est basse, meilleur c'est (pour un H.P. reproducteur de grave)
    Qes : facteur de surtension électrique.
    Qms : facteur de surtension mécanique
    Qts : facteur de surtension total (une mesure de la tendance du H.P. à résoner à la fréquence Fs) : se trouve en général entre 0.2 et 0.6 
    Xmax : Excursion maximale de la membrane de part et d'autre de sa position de repos.
    Sd : surface de la membrane

Il existe encore d'autres facteurs propres à chaque haut-parleur (Réponse en fréquence, Impédance, Sensibilité...) qui peuvent différencier les qualités de tel ou tel H.P.

Installation d'un haut-parleur de grave

    Il existe plusieurs façons d'installer un sub, la méthode optimale est donnée par des calculs basés sur les paramètres de Thiele et Small. A vous de voir ensuite la place disponible dans votre coffre.

    En free-air : ce sont en général les hauts parleurs d'entrée de gammes qui sont prévus pour fonctionner de cette façon. Il suffit en réalité de fixer le H.P. sur la plage arrière du véhicule, ou derrière la trappe à ski, et il utilise la totalité du coffre comme caisse de résonance. En effet, les H.P. prévus pour cette utilisation peuvent travailler quelque soit l'espace derrière eux.
            Avantages : installation très simple, on conserve la presque totalité du coffre, le coût (en général H.P. d'entrée de gamme).
            Inconvénients : résultats aléatoires, car la géométrie du coffre, sa taille, son insonorisation ne sont pas optimisés pour cet usage.

    En caisson clos (sealed enclosure) : on construit dans ce cas une boîte en matériaux épais (bois de préférence), de forme parallélépipédique, trapézoïdale (ou cylindrique : tube), dont on perce une face pour y fixer le H.P. L'avantage de ce type de caisson est de permettre une descente très profonde dans le grave. En effet, le caisson provoque de par sa conception une coupure (filtre passe-haut) avec une pente de 12dB/octave, en dessous de la fréquence de résonance. Lors du calcul du volume d'un caisson, on peut jouer sur l'un des paramètres selon ses préférences pour le faire 'taper' plus (dans ce cas, la coupure est plus haute : on aura moins d'extrème grave, mais un pic jusqu'à +6dB), ou alors le faire descendre très bas dans l'extrème grave, mais le son sera moins sec.
            Avantages : simplicité de conception (calculs) et de fabrication (caisson simple). Volume du caisson en général assez faible, donc moins d'encombrement. l'excursion de la membrane est fortement freinée par le fait que le caisson soit clos, on a donc moins d'endommagements de membranes qu'avec un caisson ouvert (bass-reflex)
            Inconvénients : son très typé : soit très profond, soit tapant fort, mais pas réellement de compromis.

     En caisson de type Bass Reflex (vented box) : le principe est simple : prenez un caisson clos, percez-y un trou rond, passez un évent au travers, et ça yest, vous avez un caisson bass reflex.  ;-)
    Dans la pratique, c'est malheureusement plus complique, car la position, le diamètre et la longueur de l'évent jouent un rôle aussi important que le volume du caisson.  Par rapport au caisson clos, la coupure naturelle commence plus bas dans le grave, mais la pente est cette fois de 24dB/octave (contre 12dB/octave). De ce fait, le bass reflex peut descendre plus bas que le clos avant que le son soit coupé. Cependant, ces caissons ont tendance à reproduire des mouvements incontrôlés dans les infra-graves, ce qui peut nuire à la membrane. En jouant sur le volume du caisson, on peut faire descendre le son plus bas (gros volume) ou au contraire le faire d'avantage 'taper' (plus faible volume).
            Avantages : caisson encore relativement simple à concevoir et à construire, possibilité de jouer sur le volume du caisson en fonction du son recherché.
            Inconvénients : fragilité apportée au H.P. par l'"isobarité" du caisson (pression identique dedans et dehors), et mouvements incontrôlés de la membrane dans les infra-graves.

     Contrairement aux 2 précédents caissons, le caisson passe-bande comporte 2 chambres : une close derrière le haut-parleur, et une avec évent devant. C'est comme si on ajoutait une chambre avec évent devant un caisson clos. Le fait que la charge arrière du haut-parleur soit fixe (pas d'évent comme un bass-reflex), on a les avantages du caisson clos (le débattement de la membrane est limité par la compression/dépression induite dans la chambre). Mais la différence la plus notable avec les précédents caissons est l'allure de sa courbe :  en effet, un caisson passe-bande effectue naturellement une coupure haute est une coupure basse. De plus, la pente de coupure est de 24dB/octave, comme sur un caisson bass-reflex, ce qui permet de filtrer très efficacement les fréquences trop hautes et trop basses.
    Lors de sa conception, on peut jouer sur un facteur S variant entre 0.4 et 0.7 pour obtenir une plage de fréquence plus ou moins large, et des volumes de chambres plus ou moins grands.
         - Si S est faible (0.4), alors la plage de fréquence reproduite par le caisson sera large, et les celui-ci sera relativement peu volumineux.
        - Si S est grand (0.7), au contraire, la bande passante sera étroite, mais le caisson sera alors plus encombrant.

    On note la valeur Fb, qui est la fréquence d'accord de l'évent : la fréquence centrale de la courbe. Les deux valeurs F3L et F3H, qui correspondent aux fréquences de part et d'autre de la fréquence d'accord de l'évent Fb, auxquelles la coupure est de -3dB. (symétriques sur une courbe logarithmique)

        Avantages : Le filtre acoustique des fréquences est induit par le caisson même. Le sub est mieux protégé que sur les précédents caissons car inaccessible par devant ou derrière, (la membrane ne peut être endommagée par des objets se 'baladant' dans le coffre, ou les doigts de gros-bill). La course de la membrane étant limitée par la compression/dépression de la chambre close, on ne rencontre pas les problème de restitution d'ondes parasites ou de résonances du bass-reflex.
        Inconvénients : Ce type de caisson est plus complexe à calculer, et surtout à réaliser correctement (2 chambres dont les volumes doivent être bien précis). Etant donné qu'on a 2 chambres, il est également plus encombrant.

Calculer les volumes d'un caisson Passe-bande