de la dynamique et de la phase

[francis ibre]

Bonjour à tous,

En 1957, un certain Charles Wood qui travaillait pour la défense US dans un labo de recherche, eut la surprise de constater ceci :

- un signal sinus écrêté D'UN SEUL COTE donc dissymétrique, ne donne pas du tout le même effet subjectif, selon qu'on écrête les alternances positives (en haut) ou les aternances négatives (en bas).

- non seulement le timbre parait différent, mais l'effet n'est pas le même, le son paraissait **plein** ou **creux** selon le cas.

Baptisé **Wood-Effect** ce phénomène fit l'objet d'une parution dans le journal de l'AES en 1962, et il fallut attendre 1991 pour que Clark Johnsen en fasse mention dans une autre étude publiée à l'AES.

Cette dissymétrie audible, on la retrouve dans de nombreux signaux audio : l'onde issue d'un instrument de musique n'est pas symétrique, mais au contraire elle montre souvent des pics de pression positive intenses, et des creux de pression négative moins importants.

Je montre en exemple ci dessous un oscillogramme d'une note de trompette, obtenu en sortie du DAC, à partir d'un disque test Chesky-Records vol.1 JD37 plage 14 (solo trumpet, normal polarity).

On y voit très bien la différence d'amplitude entre pics positifs et pics négatifs. Par moments les pics positifs sont 3 à 4 fois plus grands que les négatifs.
Evidemment, si la polarité est inversée n'importe où dans le système, le signal est **retourné** et les pics sont donc inversés.
Le timbre change à peine, paraissant un tout petit peu plus lisse, en revanche l'effet subjectif est totalement différent :
- attaques molles, sans aucun mordant
- difficulté à localiser l'instrument dans l'espace
- impression d'un rideau devant l'instrument
- le son parait creux et plat et manque de brillance

Cette **polarité** du signal, liée à sa dissymétrie, est donc très importante et doit être respectée d'un bout à l'autre du sytème de reproduction.
Malheureusement il est très facile de perdre cette information, au cours du processus :
- les micros de prise de son ne sont pas nécessairement tous mis en phase, c'est à dire branchés avec la même polarité : certains d'entre eux vont donner une tension positive quand la pression acoustique instantanée est positive, et d'autres donneront dans les mêmes conditions une tension négative...
- les préamplis de micro inversent parfois la phase

Cette polarité peut également être inversée à n'importe quelle étape du mixage, du mastering : l'enregistrement sur votre CD ne respecte pas à coup sûr cette polarité.

Pire : sur la même plage, un instrument peut être enregistré avec la polarité normale, et un autre en polarité inversée !
Dans ce cas, l'inverseur de polarité (0 / 180°) dont votre DAC est peut-être équipé vous permettra de constater que ni dans un cas ni dans l'autre le résultat n'est satisfaisant...

Mais ce n'est pas le pire : dans vos enceintes acoustiques se trouve un filtre de séparation, chargé d'aiguiller les différentes fréquences vers les HP concernés.
Il est d'usage pour les filtres d'ordre deux et trois de brancher les HP en inversant la polarité pour l'un d'eux, généralement celui qui est relié à la cellule passe-haut du filtre.
C'est ainsi que pour une enceinte deux voies, on branche le boomer en polarité normale et le tweeter en polarité inversée.
La justification mathématique est donnée par l'explication suivante : les sorties passe-haut et passe-bas du filtre sont déphasées (décalées dans le temps) de 180° pour un filtre d'ordre deux. en branchant un HP **à l'envers** on introduit un déphasage de 180° qui annule celui du filtre, et les HP sont alors en phase.

C'est très bien sur des sinus, pour lesquels en effet un déphasage de 180° ou un retard d'une demi-période sont des choses rigoureusement équivalentes.
Mais si mon signal est dissymétrique, comme la note de trompette ci dessous, croyez-vous que le **retourner** en inversant sa polarité soit équivalent à le **retarder** ??

Surement pas : les pics de pression seront inversés, c'est tout ce qu'on aura obtenu...

Sur mon système, les HP sont tous branchés en polarité normale, et les retards introduit par les filtres sont compensés par des retards obtenus en reculant les voies supérieures.
Cette méthode est **gentiment** qualifiée d'obsolète par certains spécialistes auto-proclamés, qui préfèrent calculer le temps de propagation de groupe, et obtenir une variation minimale de ce dernier.
Malheureusement, la mesure de ce **group-delay** ne tient pas compte du signe de la pression acoustique : cette pratique amène à aligner sur l'axe du temps les fronts de pression des différents HP, que ces fronts soient positifs ou négatifs !

Je ne suis pas d'accord avec cette méthode, je préfère un alignement tel que je le décris dans **Bien Entendu**.
La seconde photo ci dessous donne le résultat (le meilleur que j'aie pu capter) obtenu en disposant à 1m devant le pavillon médium, un sonomètre linéaire (kit décrit dans Elektor) avec sortie ligne, relié à l'osilloscope.

Le signal est moins beau qu'en sortie de DAC, j'en conviens, et on remarque un très léger dédoublement des pics positifs. Ce défaut disparait si je positionne le micro en face du tweeter, mais alors on est en dehors du lobe rayonné par le pavillon médium.
Mais essayez voir avec un filtre habituel, et branchement du tweeter en polarité inversée : vous aurez des pics presque symétriques, ce qui ne respecte pas la forme de l'onde, et la comparaison des plages 14 (polarité normale) et 16 (polarité inversée) ne donnera plus aucune différence audible !

J'ai profité de cette manipulation pour établir une estimation de la dynamique **contenue** dans le signal audio.
Avec un signal sinusoïdal pur à 1kHz, j'ai ajusté le volume pour que le sonomètre affiche 90dB (mesure avec un temps d'intégration de 1 sec).
L'oscilloscope a été réglé pour que la trace montre une amplitude crête-à-crête de 1 carreau, et cette amplitude sera prise comme référence.

Lorsque la note de trompette prise en photo a été jouée, le sonomètre indiquait 78dB, et c'est le niveau SPL moyen pendant la durée de cette note soutenue, environ 2 secondes.
On voit sur l'oscillogramme de cette note, que l'amplitude crête à crête est de 3 carreaux, ce qui correspond en gros à +9,5dB au dessus de la référence : les pics sont donc à 99,5dB SPL.

On constate donc que l'onde sonore, pour cette note de trompette, **contient** une dynamique de plus de 20dB.
C'est donc un facteur de forme très élevé !
(de l'ordre de 10).

Sur des sons de percussions le facteur de forme est encore plus sévère, mais la brièveté de ces sons ne m'a pas permis de photographier leur forme.

La dynamique instantanée et la phase absolue sont pour moi des impératifs à respecter sans concession.

Bonne écoute
Francis

[francis ibre]

Bonjour à tous,

si j'insiste tant sur cette dissymétrie du signal, c'est que j'ai acquis la conviction, après de multiples écoutes comparatives, que cette dissymétrie est porteuse d'informations importantes : elle révèle autant la position relative de la source dans la scène stéréo, sa distance, son orientation, que les mouvements de cette source.

La perte de cette dissymétrie produit un résultat manquant de relief, d'aération, de liberté, bref... peu réaliste.

Il se trouve dans la chaine de reproduction un élément très perturbateur pour cette dissymétrie du signal : le haut-parleur !
Les pics de pression du signal, de 100db environ pour un instrument solo écouté à niveau modéré (78dB SPL, voir plus haut) passent à 110dB et plus dès qu'on écoute une formation plus grande et des instruments plus puissants, piano, batterie par exemple.

Face à ces crêtes le HP produit un tassement très important.
Je rappelle que pour produire un niveau de 100dB à 100Hz un petit Hp de 13cm demande déjà des excursions de membrane de 4mm !!!
Inutile de dire que pour passer sans tassement des crêtes à 110dB, avec un contenu fréquentiel comportant des graves, de grands HP sont indispensables.
Mais même ces grands HP montreront une fonction de transfert en S, avec un tassement des crêtes.

Je donne ci-dessous un schéma qui montre comment le HP écrase la dissymétrie du signal même lorsqu'on écoute pas fort.
En dessous j'ai mis un schéma montrant comment une triode, au contraire, renforce la dissymétrie de ce signal.

Et pour finir, le dernier schéma montre que l'association d'un ampli à triode avec un HP permet de conserver à peu près intacte cette précieuse dissymétrie.

Bonnes écoutes
Francis

[francis ibre]

Bonsoir à tous

Je tiens à préciser que les effets décrits ci-dessus - tassements des crêtes dissymétriques - se produisent sur la plupart des HP Hifi de petits diamètres, disons moins de 21cm, ceci à moins qu'on écoute à niveau très modéré.

L'exemple de note de trompette que j'ai photographié, produit des crêtes à 100dB alors que le niveau SPL est de 78dB, ce qui est tout à fait modéré.
tous ces niveaux de pression acoustique sont définis à 1m évidement.
Au point d'écoute, donc à 2,50m ou 3m le niveau est inférieur de 6 à 10dB selon l'acoustique de la pièce.

Chez moi au point d'écoute je mesure 69dB pour cette note de trompette.

Inutile de dire que si vous voulez obtenir 85 dB SPL au point d'écoute, ce qui est déjà assez fort, les crêtes qui devraient se situer vers 110-115dB à 1m, seront très sérieusement tassées, à moins que vous ne fassiez usage de haut-parleurs de qualité professionnelle, capable de supporter des puissances électriques élevées, et capables de rayonner des puissances acoustiques importantes.

Un HP hifi de 17cm rayonne péniblement 50 à 100 milliwatts acoustiques, pour les meilleurs d'entre eux...

Un HP pro de 38cm rayonne jusqu'à 2 ou 3W !
(Largement autant qu'un piano de concert).

Le réalisme de la restitution passe par le respect des niveaux de crête.
C'est pour cela qu'au cinéma le son est souvent excellent !
mais allez donc jeter un oeil derrière l'écran, quand vous sortirez de la salle : voyez les monstres d'enceintes qui sont nécessaires !

Chez vous c'est plus petit ? oui, mais le son ne se miniaturise pas !

Bonnes écoutes
Francis

[coadec]

Bonjour,
J'ai retrouvé à la lecture de votre livre,le même fil directeur qui a présidé à la conception du système que j'héberge,en l'occurrence,de marque Audiotec,dont le concepteur Mr Vayssaire a élaboré ses enceintes sur la mise en phase des haut-parleurs par décalage physique de ceux-ci de l'ordre de 50 cm entre grave et médium,3 cm entre médium et tweeter,reculs établis sur l'émission de trains d'ondes sinusoïdales de fréquences correpondants aux coupures;le résultat qui n'est pas étranger à cette démarche est une scène sonore tridimensionnelle qui s'affranchit du fameux"sweet point" pour laisser une zone d'écoute qui déborde largement du triangle à tel pointquune écoute totalement décalée(ma pièce est en "L")offre toujours une grande précision dans la disposition des intervenants sonores derrière les enceintes.
Il est dommage que les actuels fabricants ne rejoignent pas cette vision peut-être des impératifs commerciaux!
Bien cordialement
Michel'

[guytou]

... Merci à Francis pour ces résultats de recherche , qui ont reçu un accueil plus que modéré ...

[fdracing]

Son travail et son approche nous sont effectivement très précieux , certes l’accueil à priori est relatif mais le sujet est assez pointu

j'ai fini , il y à un an , par passer à des Tannoy 15 pouces , ceci explique en partie cela

.

[jean-marc plantefève]

Bonjour Francis,

Sur mon système, les HP sont tous branchés en polarité normale, et les retards introduit par les filtres sont compensés par des retards obtenus en reculant les voies supérieures.

Cela remonte à onze ans, mais puisqu'on relance le sujet...

Les retards introduits par les filtres et haut-parleurs (disons à l'aiguillage) sont variables suivant le contenu fréquentiel. On parle de retard de groupe et selon, de retard de phase. Le retard obtenu en reculant mécaniquement une voie haute, est constant à l'ensemble du contenu fréquentiel. Pour qu'il y ait malgré tout compensation, quelles courbes cibles (passe-bas et passe-haut) vises-tu à l'aiguillage ? Avec quel lien entre fréquence(s) de coupure et décalage mécanique ?

Bien à toi, Jean-Marc.

[quebec]

J`avais pas vue ce sujet dans le temps ...... il est très pertinent pour avoir des HP Hi End comme on dit ..... tout les détails soit important !

C`est peut être a cause de cela , entre autre et l`acoustique aussi , que je trouve que mon duo, qui est sans filtre , bat tout les autres pour la sensation auditive de l`image sonore .

Francis , oui c'est vrai qu`un 38 cm a plus de puissance acoustique pour le médium mais il y a t-il autant de résolution qu`un plus petit . pour un local pas immense ça demande moins qu`une salle de cinéma .... non

Analysé par oscilloscope , c`est le top du top !

[jimbee]

Bonjour Francis,

Sur mon système, les HP sont tous branchés en polarité normale, et les retards introduit par les filtres sont compensés par des retards obtenus en reculant les voies supérieures.

Cela remonte à onze ans, mais puisqu'on relance le sujet...

Les retards introduits par les filtres et haut-parleurs (disons à l'aiguillage) sont variables suivant le contenu fréquentiel. On parle de retard de groupe et selon, de retard de phase. Le retard obtenu en reculant mécaniquement une voie haute, est constant à l'ensemble du contenu fréquentiel. Pour qu'il y ait malgré tout compensation, quelles courbes cibles (passe-bas et passe-haut) vises-tu à l'aiguillage ? Avec quel lien entre fréquence(s) de coupure et décalage mécanique ?

Bien à toi, Jean-Marc.

Bonjour,

..........
Deux propositions de filtres se trouvent en pages 356 à 358 dans B.E. 2eme édition.
En bas de page 356 en LR2 +/+ puis aux suivantes en Butt3/3 +/+ à fréquences décalées façon JMLC.
Ajuster le décalage pour remettre "en phase" les voies à la fréquence de croisement donne une ondulation de la réponse autour de 4 dB.
Il peut être réduit pour limiter cette ondulation à 2,6 dB, valeur minimale.
Pour une Fc à 500 Hz, le décalage retenu sur les simulations suivantes est alors de 257 mm pour le LR2 et de 505 mm pour le Butt3 "façon Francis".

Les résultats obtenus en amplitude, phase et délai de groupe sont les suivants:
LR2 : ondulation: 2,67 dB delta phi : 75° delta GD : 0,86 ms
Butt3 : 2,6 dB / 135° / 1,6 ms



Le comportement temporel est ici visualisé par les réponse à un signal carré de fréquence moitié de la fréquence de croisement:



Dans un esprit proche, Samuel Harsch avait proposé une solution en 4/2 avec une déviation d'amplitude et de phase relativement contenue:
http://petoindominique.fr/pdf/phase.pdf
pour Fc 500 Hz ondulation : 1,3 dB delta phi : 56° delta GD : 0,47 ms


sauf erreur....

cord.

[bengug]

Bonsoir à tous,

Une question me taraude :
Le filtrage actif permet il de s'affranchir de ces contraintes et sujets ? (Bon bien sur en ramenant d'autres contraintes ... comme toujours).

Bonne soirée !