Les filtres actifs et passifs
Bien que beaucoup connaissent son existence, il reste encore des zones d'ombre quand a son rôle exact et quelques détails s'y rapportant. J'aborderais ici les éléments qualitatifs
dans ce domaine, autant concernant le filtrage passif que le filtrage actif.
Il existe un exemple tout à fait connu dont je vais me servir pour illustrer mon propos. Je parle du petit déjeuner et en particulier de la boisson que l'on absorbe le matin et qu'on
appel le café (je ne parlerais pas ici des effets toxiques bien connu du produit) , et qui demande une certaine préparation avant d'être consommé. En effet, le café est bien souvent
en poudre. Il est cependant inutile de disserter sur le comment faire de la poudre avec le grain, car c'est l'opération suivante qui revêt le plus d'intérêt en faite.
Le consommateur n'aime pas les grains du café mais son goût, alors, il va faire tremper la poudre de café dans un volume d'eau bouillante. Laquelle eau bouillante va s'imprégner
du goût du café en se chargeant des plus fines particules de la poudre.
Mais une grande partie de cette poudre inconsommable qu'on cherche à éliminer deviendra du mout de café, c'est à dire, un amas de grosse particule de café dont on veut se
débarrasser. Pour cela, on va utiliser du papier possédant des propriétés de sélection de la taille des grains de café... on appel cela un filtre, un filtre a café qui ne laisse passer les
grains de café seulement si ils sont plus petits que la taille des trous qui se trouvent dans ce papier... le mout de café va rester dans le filtre et les plus fines particules vont se
mélanger à l'eau chaude et passer le filtre pour atterrir dans une tasse... ou un sucre et une cuillère les attendent!
Et bien, comme vous vous en doutiez un peu, le filtre dont on parle dans le monde de l'audio joue un rôle très voisin... sauf que ce ne sont pas des grains de café qu'il faut "trier" et
séparer, mais des fréquences!
Par contre, on ne sépare pas les fréquences pour une seule question de "goût", mais aussi pour des questions techniques liées à la résistance du matériel et la qualité de son
comportement...
Quand les premiers haut-parleurs furent crée, a la fin du 19ème siècle ( on était passe du gramophone qui amplifie la vibration d'un clou et rendu audible grâce à un pavillon) au
haut-parleur que l'on connaît aujourd'hui, qui, si l'électricité disparaissait, serait muet.
Dans les premiers temps du haut-parleur électrodynamique ou électrostatique d'ailleurs, on utilisait un unique haut-parleur pour tenter de reproduire toute la bande de fréquences
audio perceptible par l'oreille humaine... cette tentative s'est soldé par un échec.
La conclusion était qu'il n'était pas possible de reproduire d'une manière parfaitement équilibrée et qualitativement bonne, toute la bande audio avec un seul haut-parleur. Il existe
cependant toujours des haut-parleurs dit "large bande" qui peuvent tenter de reproduire la plus grosse partie de cette bande audio, mais sans jamais avoir l'espoir de la restituer
totalement un jour... pas avec les techniques utilisées jusqu'à présent en tous cas. En général, les meilleurs haut-parleurs "large bande" arrivent péniblement à reproduire des
fréquences légèrement supérieure a 10 000 Hz... et peuvent tout aussi difficilement descendre plus bas que 60 Hertz pour les plus basses fréquences... les raisons en sont
évidentes:
les hautes fréquences que sont les aiguës, sont constitue de toutes petites excursions (débattements) de la membrane, mais la contrepartie de la petitesse de ces excursions,
c'est la rapidité avec laquelle la membrane doit se déplacer...
Pour des fréquences supérieures à 10 000 Hz... il faut que la membrane bouge tel que le montre mon animation " gif " sur le fonctionnement du haut-parleur, mais ceci a plus de
10 000 fois par secondes!!! ...cela implique une légèreté de la membrane, sans quoi l'inertie de celle-ci serait un gros problème pour créer d'aussi rapides excursions...
A contrario, les basses fréquences que sont les graves ne demandent pas beaucoup d'excursion de membrane, on n'aura pas besoin de la faire bouger rapidement (d'avant en
arrière et vis et versa), en contrepartie, les oscillations de la membrane ou excursion de la membrane doivent être ample et capable de déplace de gros volume d'air...
Seul un haut-parleur équipé d'une grosse membrane ayant une surface active importante (surface de la membrane du haut-parleur) sera capable de produire des graves...
A la lumière de ces quelques explications, vous comprendrez que si l'on veut reproduire correctement les fréquences les plus " éloignées " que sont, d'une part les extrêmes
aigus (de 15000 a 20000 Hertz environ) et d'autres part les extrêmes graves ( de 40 a 20 Hertz environ), il se posera un problème, car les critères techniques sont à ce point en
opposition que l'on devra choisir de prendre plusieurs haut-parleurs différents, pour faire mieux que ce qu'un seul haut-parleur n'aurait jamais pu faire.
On spécialise alors les haut-parleurs en fonction des fréquences à reproduire... on sait que pour reproduire les aiguës, le haut-parleur devra avoir une membrane légère et rapide
(vu la taille des tweeters, ce que je dis vous semblera évident, j'en suis sur) . Pour les graves par contre, la membrane devra avoir une très grosse surface et une excursion de
membrane importante... ce qui induit un Haut-parleur de très grosse taille avec des suspensions permettant à la membrane de faire des débattements de grandes dimensions.
Quant aux fréquences médiums (couvrant des fréquences intermédiaires entre les aiguës et les graves) l'une des qualités demandées à ce type de haut-parleur sera un mélange
des exigences que l'on aura pour les haut-parleurs d'aigus comme ceux des graves...
Une membrane suffisamment lourde pour descendre dans des fréquences bas médiums sans trop de masse car sinon la membrane ne montra pas dans les hauts médiums
voisin des aiguës. La taille du haut-parleur est a mi-chemin entre celle du tweeter et celle du Haut-parleur de grave.
Vous remarquerez sans doute de ce faite que plus la fréquence à reproduire est haute, plus le transducteur est de petite taille... plus la fréquence à reproduire est basse, plus le
transducteur est de taille imposante.
On sait que l'on ne peut pas reproduire la plus grande partie de la bande audio sans utiliser plusieurs haut-parleurs spécialisés.
Il reste quand même un problème, c'est de ne pas envoyer n'importe quoi a chacun de ces haut-parleurs! ...
Si envoyer des extrêmes aigus dans un haut-parleur de grave n'a aucune conséquence sauf si ça dépasse sa puissance admissible(en général très supérieur à celui d'un tweeter,
donc très improbable), n'envoyer - ne serait ce - qu'un peu de grave dans un tweeter se solderait par une destruction rapide voir instantanée du haut-parleur d'aiguës!!!
Comment croyez-vous que peut réagir une membrane incapable de faire des débattements de grande taille quand un courant alternatif de basses fréquences se " présente" sur le
bornier de branchement de celui ci ?? ... ! !
La membrane du tweeter va faire un saut brutale dont les dimenssions depassent ses propres capacités mécaniques, pour se détruire instantanément par un excès invraisemblable
d'excursion!!
Le médium étant lui assez insensible au "danger" que présentent les aigus, malgré qu'il soit moins fragile au passage d'un courant de basse fréquence, il ne faudra pourtant pas
insister beaucoup plus pour le détruire aussi!!!!
Ceci induit une remarque de ma part: si vous devez tester un ampli qui vous fournie toutes les fréquences, faite le toujours avec un haut-parleur de grave... si l'ampli est filtre avec un
filtre actif comme nous le verrons plus tard, vous pourrez alors, avec ce que vous entendrez dans le haut-parleur de grave, décider de mettre un médium pour voir si l'ampli n'amplifie
que les aigus... pour ne mettre que le haut-parleur d'aiguë a la fin en étant absolument sur qu'il n'y a bien que des aiguës...
Jamais il ne faut tester la sortie d'un ampli dont on est pas certain avec un tweeter!!!!
Je pense qu'après avoir abordé ces deux critères principaux que sont la qualité de restitution sonore et la sécurité des haut-parleurs, vous devez dors et déjà comprendre le but du
filtrage (qu'il soit passif ou actif)!
Il est - bien sur - de partager le signal audio quand il est encore sous une forme électrique, et ceci en plusieurs morceaux.
Il dirige ainsi les différents morceaux de cette bande audio dans la direction des haut-parleurs spécialisés qui vont les restituer sous une forme acoustique, donc audible.
Il existe deux formes de filtrage utilisé:
- le filtrage passif
- le filtrage actif
nota :il est évidement possible de " mélanger " les deux formes de filtrage dans une seule et même installation audio (voir schéma ci dessous)
Le filtrage passif
Ce filtre est compose d'éléments qualifies de "passif" parce qu'ils ne reçoivent aucune autre énergie que l'énergie qui les traverse et qui est destine directement aux haut-parleurs,
comme vous pouvez le voir sur le dessin qui se trouve sur mon site (cliquer sur "dessin" pour le voir)
Les filtres passifs sont composes de self(s)-induction, de condensateur(s) et quelques fois aussi de résistances comme c'est le cas pour un réseau d'atténuation (réseau de
résistances de puissance qui permet d'adapter les différentes sensibilités des haut-parleurs comme expliqué sur la page " réseau d'atténuation ")
Biensur, il existe différentes qualités de composants. Les composants vont plus ou moins pollué le signal audio qui les traverse...
- Les selfs induction:
Il est par exemple recommande de choisir des selfs induction réalisées avec du fil de cuivre de forte section. La résistance du fil de cuivre n'étant pas négligeable et induit un défaut
sur la restitution du signal audio. Vous devrez éviter les selfs inductions compose d'un bâton de ferrite. Cette technique permet de créer une self avec une induction beaucoup plus
forte tout en aillant une taille de bobine réduite. L'avantage d'un point de vue encombrement se traduit par un gros défaut. Ce type de self induction se trouve être facile à saturer
magnifiquement, elle génère alors un défaut de filtrage très important à forte puissance électrique. En conséquence, si vous choisissez une self induction, elle sera de grande taille
en évitant autant que possible ce noyau de ferrite. On la qualifiera de " self induction a air ".
La self induction sera d'autant plus grosse que la fréquence à filtrer sera basse. Les filtres avec des fréquences de coupure haute sont compose de "petites" selfs. Dés que les
fréquences de coupure approchent les basses fréquences, la taille des selfs devient rapidement imposante. il en est de même pour la taille des condensateurs (les selfs-induction
"intertechnik" représentent un choix judicieux en terme de qualité)
A ce propos, il faudra éviter d'installer vos selfs induction dans le même sens, la selfs étant un générateur d'ondes magnétiques,
les selfs risquent de se perturber entre elles...
Les fixer par exemple: une dans le sens horizontale, l'autre verticale limitera les effets parasites de ces perturbations mutuelles.
Mettez autant de distance que possible entre elles. Vous gagnerez encore sur la qualité finale.
- les condensateurs:
Comme la self induction, la taille du condensateur est directement liée à la fréquence de coupure du filtre. Plus la fréquence est basse plus la capacité du condensateur sera
importante... si des valeurs comme 1 microfarad (1 µF) sont utilise pour des fréquences aiguës... pour les plus basses fréquences il n'est pas rare de trouver 15 voir 33 µF...
Bien sur, un condensateur de 33 µF est nettement plus gros qu'un condo de 1µF... Surtout si ce sont de vrais condensateurs non polarisés!! ... (car il en existe de piètre qualité)
En effet, il existe des fabricants sérieux de condensateurs (SCR ou intertechnik) qui produisent des condensateurs de qualité, réellement non polarise, et d'autre se contentent
d'utiliser des condensateurs chimiques (connu pour leur instabilité dans le temps)
On les reconnaît d'ailleurs assez vite! ...Ils sont tout petit, et ont deux gorge sur leur pourtour et a chaque extrémité du corps du condensateur (voir la photo)
Si votre condensateur de 15 µF ne dépasse pas le diamètre de votre petit doigt c'est qu'il y a anguille sous roche... Dans ce cas fuyez ! !
Un bon condensateur ne coûte pas très cher en faite (de 3 a 10 euros/piece)
Il doit comporter au moins deux informations: la capacité et la tension maxi de service. Genre 15 µF et 160 volts.
- les résistances:
Ce sont des résistances dites céramiques, parce que le matériau entourant la résistance elle-même est en céramique, ceci pour des raisons lie à la température à laquelle elles
sont soumises.
En effet, une telle résistance arrive à dissiper pas mal de puissance, donc de calories. Elles font quelques ohms et plusieurs watts. En général elles sont de couleur blanche. Il en
existe des bobinées, mais elles sont à éviter car des résistances bobinées ont une induction parasite pas totalement négligeable (puisque c'est une bobine de fil!!).
- le circuit imprime:
J'allais oublier l'élément sur lesquels sont soudes tous ces composants. C'est le circuit imprimé. Il devra être réalisé avec des pistes de la plus grande largeur possible mais il
faudra veiller aussi à demander à votre vendeur de composant électronique de vous commandez une plaque avec une grande épaisseur de la couche de cuivre! La section des
pistes étant bien sur représenté par leur largeur mais aussi leur épaisseur. Tout ça pour réduire autant que possible les résistances parasites des conducteurs par lesquels le signal
audio destiné aux haut-parleurs va passer.
Nota: ce type de filtre s'installe toujours entre l'ampli et les haut-parleurs, il est d'ailleurs conseiller de le mettre aussi prêt que possible de l'ampli... ça permet ensuite de choisir
pour chacun des haut-parleurs, un câble de puissance qui lui correspond le mieux ( pour contrecarrer l'effet de peau dans le câble que produisent les aigus ainsi que la capacité
parasite du même câble choisi avec le plus de brins possibles et par ailleurs, pour les graves, un câble de fort diamètre pour réduire autant que possible la résistance du fil.)
Le filtrage actif
Ce type de filtre est qualifie d'actif parce qu'il est réalisé à partir de composant qui ont besoin d'une source d'énergie pour modifier le signal qui les traverse et qui est destine aux
différents haut-parleurs (voir le schéma correspondant sur le filtrage actif )
Le circuit intégré qu'est l'ampli opérationnel (du style NE 5534 ou NE 5532, TL072, OP 27, RC 4558) a besoin d'être alimente électriquement avec une alimentation de type
symétrique (+15 volts, masse et - 15 volts).
Ils sont entouré de résistances et de condensateurs.
- les amplis opérationnels (couramment appelé AOP)
Ils renferment eux-même des dizaines de minuscules composants branches entre eux. Ils remplacent et intègre dans un seul "boîtier" de bakélite, ce qui prenait une grande place
sur un circuit imprimé il y a quelques années, la réduction de la tailles des composants étant passe par la. Le prix du composant varie entre 0.50 et 6 euros (6 euros pour l'OP 27
qui constitue l'un des tout meilleur composant audio existant. On l'utilise en audio pro pour les appareils les plus sophistiqués et les plus onéreux. Une solution economiquement plus
accessible existe avec un NE 5534 pour 1.20 euro... etc
- les condensateurs:
Il en existe de différents types (plastique, papier huilé, céramique, mica, tantale, styroflex... etc). L'utilisation de condensateurs plastique présente une excellente option pour un filtre
de haute qualité (rapport qualité/prix intéressant) . Le condensateur électrochimique (ou chimique) est absolument à proscrire pour le filtre actif!!! ...
Les différentes valeurs des condensateurs qui équipent les filtres actifs sont de l'ordre de quelque nanoFarad à quelques centaines de nanoFarad ( 10 à 500 nF environ ) pour les condensateurs non chimiques.
- les résistances:
Pour éviter les bruits parasites, les résistances seront préférablement des résistances à couches métalliques, caractérise par un
corps bleu turquoise, par opposition a la résistance plus économique qu'est la couche carbone dont le corps et de couleur beige clair.
- le circuit imprime:
Encore une fois ici, il faut bien sur un support pour fixer tous ces composants. C'est le circuit imprimé. Il devra être réalisé avec soin.
C'est a dire qu'il devra tenir compte des inductions éléctromagnétique exterieures qui risquent de perturber le signal audio.
Un blindage s'impose donc pour faire "écran" à cette pollution. Ceci signifie aussi que les pistes devront être dessiné pour limiter au
maximum tous les types de parasitages du signal audio (je vous conseille d'acquérir un ouvrage technique qui développe largement
tous ces aspects) . Dans ce domaine, ce qui peut être considéré comme insignifiant pour un circuit imprimé dans le cas d'un filtre
passif, ne l'est plus du tout pour un filtre actif. Le circuit imprime en epoxy (reconnaissable par sa couleur verte relativement
transparente) est un meilleur choix qu'un circuit bakélite (reconnaissable a sa couleur beige clair) qui se casse déja tres facilement.
La métallisation des trous dans la plaque améliore encore la qualité électrique du circuit lui même. Enfin, si les circuits "double face"
( un plaque de cuivre sur chacune des deux faces du support ) apportent un gain de place important, sa réalisation en est largement
plus délicate que le circuit simple face. Le circuit double face ne sera conseillé que pour ceux et celles qui auront déja pratiqué la
réalisation de circuit électronique depuis déja un certain temps. L'experience et la dextérité sont des qualités indispensables pour
cette option là.
Nota: une très grande précision de filtrage peut être obtenue par ces composants en utilisant un multimètre de qualité permettant de
sélectionner les composants pour réaliser les valeurs exactes dont les répercussions ont été soigneusement observe par oscilloscope... ou par défaut, par le résultat des calculs.
Une précision de l'ordre d'1% est tout à fait possible.
Le filtre actif s'installe avant les amplificateurs (voir le schéma de branchement des différents filtres actifs)
Il est plus onéreux (un canal d'ampli par voie) que le filtrage passif mais nettement plus précis (entre autres choses)
Nota général:
Bien sur, il existe quand même une différence en terme de qualité entre les deux types de filtrage, et le filtrage actif indirectement plus onéreux s'avère être de meilleure qualité aussi...
Le milieu audio-professionnel (sonorisation et studio d'enregistrement de qualité) utilise quasi exclusivement le filtrage actif, en laissant le filtrage passif pour les petites installations.
