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Propagation

La Diffusion du Son

Un très vaste domaine et un dossier qui s'enrichira avec le temps. On parlera donc essentiellement de diffusion, des enceintes de sonorisation et leur évolution dans ces 60 dernières années. Le but est évidemment d’expliquer les nouvelles technologies comme les systèmes Line-Source et ses bases théoriques, qu'est la WST (Wave Sculpture Technology) ou la "Sculpture du Front d’Onde" basiquement développé par Christian Heil et Dr. M Urban. Cette technologie a été mise en oeuvre avec le système DOSC (Diffuseur d’Ondes Sonores Cyclindriques) dès 1988 avec un premier aboutissement avec le V-Dosc, puis le DV-Dosc et aujourd'hui le Kudo. D'autres fabricants ont emprunté le même chemin ou ont développé d'autres technologies.


diffusion - dB-SPL - trajectoires - histoire - exemples

La Propagation du Son

L'Énergie

Avant tout, j’aimerais rappeler une loi fondamentale de la physique :
L’énergie est constamment présente, et se transforme continuellement (d’un état à l’autre).

Ceci veut dire que l’énergie n’apparaît pas et ne disparaît pas mais qu’elle change simplement et continuellement de forme ou d’état. Quand on parle de perte d’énergie, cela veut dire qu’une partie de l’énergie est transformée en énergie non utile, souvent de la chaleur . Quand on parle de consommation d’énergie, c’est l’ensemble d’énergie utilisé pour un processus et quand on parle de rendement, c’est la proportion de la partie utile d’énergie par rapport à la consommation.
Il est alors important de comprendre, qu’un amplificateur ne produit aucune énergie et qu’un HP n’en produit pas non plus mais que ces deux appareils, par contre, en consomment beaucoup et la transforment aussi bien en énergie utile (tension et son) mais aussi une bonne partie en énergie non utile ( chaleur, calories etc).
Le son, lui, se propage dans l’air , ou dans n’importe quel médium, que ce soit de l’eau ou n’importe quel matériau ferme ou liquide et c’est uniquement grâce à ce médium que le son est audible (aucun son n’existe dans le vide d’air par exemple)! Sans propagation, ni médium, le son n’existe pas !! Lors de la propagation du son l’énergie est transmise par vagues de molécules d’air (ou du médium) qui bougent élastiquement. Ces mouvements provoquent des frictions qui consomment l’énergie (et la transforment en calories)

Résumons donc : quand on parle dans le micro la pression d’air exercée sur la membrane fait bouger celle-ci ; les mouvements de la bobine dans un champ magnétique sont transformés en électricité. En se servant d’une autre source d’énergie plus grande (notre courant de secteur) on amplifie cette petite tension pour en faire une grande tension capable de faire bouger une plus grande bobine et une plus grande membrane ; pour ensuite faire bouger une plus grande masse d’air, c’est-à-dire produire du son audible à fort volume et l’envoyer dans l’air (en l’occurrence vers les spectateurs).

Si on compare maintenant l’énergie consommée par ce processus moyenâgeux avec la petite quantité d’énergie vraiment utile récupérée (les dB-SPL), on doit se rendre à l’évidence qu’on gaspille énormément d’énergie. La plus grosse partie part tout simplement en calories, c’est-à-dire en chaleur ! En fait on ne récupère que quelque pour-cent et plus de 90% sont perdus et gaspillés !! Et il faut bien l’admettre rien de révolutionnaire n’a été inventé au niveau des transducteurs (du point de vue mécanique) ces 60 dernières années.

Dans cet article, je vais m’intéresser uniquement à ce qui se passe avec le son une fois qu’il est émit par le HP, c’est à dire qu’on va parler de la propagation du son dans l’air.

Diffusion et pertes

Du fait de bouger périodiquement, la membrane du HP crée des variations de pression d’air. Ces variations se propagent dans l’air selon des règles assez strictes et quand elles arrivent dans notre oreille et notamment sur le tympan, le cerveau peut récupérer des informations nécessaires pour recréer une image sonore. L’oreille étant un capteur mécanique tout comme un microphone par exemple.
Le son n’est donc pas propulsé par la membrane du HP comme une flèche ou une sinusoïdale pour arriver pile poil dans notre oreille, mais le son se propage plus ou moins uniformément en transmettant l’énergie d’une molécule d’air à un autre. Ces molécules vibrent donc avec une certaine élasticité autour d’un point de repos et se frottent entre elles. Ces mouvements et frottements consomment de l’énergie, et produisent donc en partie des calories. Comme toujours dans notre univers mécanique : le fait de produire du son entraîne automatiquement une perte de son.
Mais encore beaucoup plus important : la surface de l’air en mouvement s’accroît continuellement et très rapidement avec la distance. Le son se propage partout autour de HP et non seulement dans l’axe du HP. Ce n’est pas une surface correspondant à la surface du HP qui se propage mais elle s’agrandit proportionnellement avec la distance et en cercles concentriques. Imaginez, quand vous jetez une pierre dans l’eau, cela ne produit pas une ligne droite à la largeur du caillou mais des cercles concentriques de plus en plus grands.

Tout cela fait que le son va diminuer rapidement au fur et à mesure de son voyage dans l’espace.
La vitesse de la propagation du son dépend de certains critères comme l’humidité et surtout la température mais on peut dire qu’elle est de 340 mètres par secondes à 15 degrés Celsius.

Tout, comme on peut mesurer une tension (Volt) ou un courant (Ampère), il est possible de mesurer la pression d’air. Il y a pour cela plusieurs dénominations et formules de calcul mais la plus connue et généralement utilisée est le Pascal ou le Newton-mètre(N/m2). Un Pascal correspond à la pression qu’exerce un Newton sur un mètre carré : Pa=N/m2. La pression atmosphérique de notre planète est environ de 100 000 Pascal.

Encore les Décibels (SPL)

SPL pour Sound Pressure Level ou niveau de pression du son.
Comme expliqué en haut, le son n’est en fait rien d’autre qu’un changement périodique de cette pression de base. La voix normale, par exemple, engendre une variation de pression de 0,1Pa (près de la bouche), ce qui correspond à un millionième de notre pression atmosphérique (j’espère que vous êtes impressionné et que vous sentez bien cette pression monstrueuse qui pèse sur vos épaules jour pour jour…).
L’étendue de pression (donc en fait les changements par rapport à la pression constante de notre atmosphère) que notre oreille peut accepter et entendre va de 0,00002 Pa à 1500 Pa, c’est-à-dire sur une échelle d’environ 75 millions de fois. Ce chiffre est trop monstrueux pour pouvoir calculer correctement avec, et l’on utilise une fois de plus l’échelle logarithmique pour s’en sortir. En utilisant le log à base 10 (pour obtenir des petits chiffres) et on le multipliant par 20 (pour obtenir des entiers au lieu des petites décimales), on a exactement la même formule qui nous permet de calculer les énormes changements de tension (par exemple dans un ampli), c’est-à-dire : L = 20 log (Pa) – L pour Level en dB et Pa pour Pascal en N/m2. L’énorme avantage est clair : au lieu de devoir multiplier des chiffres astronomiques (les Pa) pour trouver une proportionnalité entre deux pressions, on peut maintenant additionner ou soustraire simplement des chiffres simples (les dB) qui ne dépassent pas les 150.

À noter : Quand on calcule des log à base 10, on obtient des chiffres négatifs pour toute valeur plus petite que 1 et positifs pour toute valeur plus grand que 1. Ainsi, par exemple : log(1)=0 ; log(0,1)=-1 ; log(10)=1 ; log(100)=2 etc etc

En calculant la valeur logarithmique.de 0,00002 Pa (le son le moins fort perceptible) on obtient –4,69897, donc environ –4,7 et le 20 log(0,00002) fera donc –94dB. Pour faciliter nos calculs (et éviter d’avoir des valeurs négatives et positives) on définit cette pression-là comme la référence 0 dB. Ainsi –94 dB-Pascal deviennent 0 dB-SPL (ou 0 Phon)
En fixant la référence 0 dB à la pression la plus basse encore perceptible (0,00002 Pa), on obtient ainsi une échelle déjà bien humaine de l’audibilité du son, en gros entre 0 dB et 150 dB, on les appelle aussi des dB-SPL (pour Sound Pressure Level = niveau de pression du son) ) ou encore des Phon.. Il faut dire aussi que le son le plus fort perceptible de 1500 Pascal atteint les 157 dB ce qui est absolument douloureux physiquement et ce qui crée des lésions immédiates et irréversibles (acouphène et la plupart du temps : surdité totale et immédiate = destruction du système auditif !!!)

Pour plus de détail sur le calcul avec des décibels, voyez mon article à ce sujet, s’il vous plaît.

Voici un petit tableau qui référencie quelques niveaux de pressions sonores. Remarquez qu’il est un non sens de donner le niveau d’une source sans préciser la distance de la capture du son (micro mesure ou notre oreille etc) => un train qui passe à 50 cm de notre oreille aura un impact différent que quand il se trouve à 50 mètres , un chuchotement de voix, mais à 2 cm du tympan peut faire terriblement mal etc etc
Il y a aussi une colonne avec l'intensité qui est calculé en Watt par mètre carré, un terme souvent utilisé en ingénierie (physique appliqué etc).

Exemples d'audition Décibel SPL Pa  = N/m2 I = Watt/m2
Réacteur d'avion à 30 M 140
200
100
Trompette à 1 M 130
63,2
10
Douleur physique et lésion de l'oreille 130
63,2
10
Concert à 1 M du HP 120
20
1
Moto à 1 M 110
6,3
0,1
Discothèque à 1 m du HP 100
2
0,01
Camion à 5 M   90
0,63
0,001
circulation routière à 5 M   80
0,2
0,0001
Parole forte à 1 M   70
0,063
0,00001
Discussion normale à 1 M   60
0,02
0,000001
Appartement tranquille   50
0,0063
0,0000001
Chuchotement, vent etc   40
0,002
0,00000001
Silence habituel   30
0,00063
0,000000001
Silence ambiente en studio    20
0,0002
0,0000000001
Silence anormale dans la nature   10
0,000063
0,00000000001
Seuil d'Audibilité    0
0,00002
0,000000000001

La Sensibilité 1W/1M

Pour avoir une bonne base de calcul et de comparaison, on a établi le terme de sensibilité 1W/1M (valable pour le HP ou moteur de compression seul et aussi pour l’enceinte ou pour un système complet).

La sensibilité est le nombre de dB-SPL qu’un transducteur peut produire avec 1 Watt (ou plutôt 2,83 Volts pour un 8 Ohms) à un mètre de sa source sonore.. Cette valeur n’est pas forcément mesurée à exactement un mètre devant le HP, mais souvent à une distance stratégique (là où le HP développe le plus de son, et puis recalculé sur la distance 1M). Elle est exprimé en dB-SPL/1W/1M. Il faut dire aussi qu’elle est souvent mesurée avec une sinusoïdale de 1 kHz, donc pas forcément utilisable pour une déduction en terme de musique ou sonorisation live ; mais ça donne une bonne idée de la performance d’une enceinte, surtout en comparaison avec une autre enceinte.

Remarquez : selon la construction d'une enceinte, cette valeur peut différer de beaucoup d'une enceinte à l'autre malgré d'avoir des composants de base (HP) identiques; ceci est dû au comportement et à la projection du son durant les premiers mètres.
Un HP seul émettra toute de suite en champs lointain (avec perte de 6 dB), une enceinte normale émettra en champ proche pendant une courte distance (avec perte de 3 dB) et pour une enceinte pavillonnaire, la valeur obtenu à un mètre sera certainement supérieure à celle du transducteur seul (effet accélération turbo!). Certains enceintes "pro" ont donc une sensibilité autour des 106 ou même 108 dB-SPL, bien que les transducteurs seuls dépassent à peine les 100 dB.
Donc pour lever un peu le voile sur les mystères des enceintes pavillonnaires (horn) dont on dit qu'elles ont plus d'impact que d'autres : elles perdent autant de son qu'une autre enceinte lors du voyage dans l'espace, mais le son est projeté beaucoup plus puissamment au départ (ce qui peut faire gagner facilement 5 à 6 dB et ce qui correspondrait déjà à la compensation d'une étape de doublement de distance) et puis la directivité est souvent plus étroite aussi, ce qui fait que le son est mieux perçu quand on se trouve dans son champ - toujours par rapport à une enceinte classique avec une directivité large et plus diffuse.

Désolé de continuer à vous gaver de théorie, mais il faut quand même préciser ceci : on a vu qu’on calcule la pression sonore en dB-SPL qu’on obtient par le 20x Log de la pression. Un doublement correspond donc à +6dB et la moitié à –6dB. =>Le log(2) étant environ 0,3 et le log(0,5) étant à peu près -0,3

Pour la puissance (d’un ampli ou d’un HP par exemple) on calcule par contre avec le 10x Log, ce qui veut dire que le double correspond à +3dB et la moitié à –3dB.
La conséquence est simple et évidente :quand on perd la moitié de la pression sonore (-6dB), il faut quadrupler la puissance (2 fois +3dB) pour compenser cette perte.
Et puis : en doublant la puissance, par exemple d’un ampli (+3dB), la pression sonore n’augmentera que d’environ 50% (à peine perceptible - il faut une augmentation de 800% à 900% pour ressentir un doublement de volume sonore). Ansi, vous voyez dans le tableau ci-dessus, dans la colonne de l'intensité (I = Watt/m2), qu'une augmentation de 10dB-SPL nécessite une augemntation de la puissance par 10, mais qu'une augmentation de 20 dB nécessite déjà une puissance 100 fois supérieure !
Pour l'exemple : Par rapport à un mètre, on perd 10 dB-SPL à 3 mètres et 20 dB-SPL à 10 mètres !! Il faut donc 100 fois plus de puissance pour maintenir la même pression sonore à 10 mètre de distance => affolant, n'est-ce pas ??

En plus, un simple doublement de la pression (+6dB) ne suffira pas pour percevoir un vrai doublement du volume sonore (par rapport à l’oreille), pour cela il faut entre 8 et 10 dB-SPL. Ce qui veut dire qu’il faut environ 10 fois plus de puissance pour obtenir ce doublement de volume sonore. Je ne voudrais pas vous embrouiller encore d’avantage en mettant en jeu également le fait que notre oreille perçoit les sons selon leurs fréquences avec des volumes inégaux même s’ils sont émis avec la même pression. Ceci ajoutera évidemment encore d’autres paramètres à prendre en compte par rapport à nos simples exercices mathématiques. J’en ferais peut-être une autre fois un autre article à ce sujet.

Revenons maintenant à notre sujet principal : la propagation du son dans l’air.

La Trajectoire du son

Ce sont donc ces changements de pression (décibels ou Phons) qui voyagent dans l’air par les mouvements périodiques des molécules et par lesquels les changements se propagent théoriquement en forme de sphère. Exemple : Quand vous claquez les mains, cela s’entend devant derrière dessus et dessous de vos mains. Il est important de comprendre cette propagation sphérique pour comprendre les problèmes que cela implique. Pour cela j’aimerais illustrer trois exemples :

(haut de page)

Propagation linéaire ; exemple un tir de carabine :

Attention : on ne parle pas de l’énergie sonore du tir mais uniquement de la trajectoire de la balle !

La balle reçoit une certaine charge d’énergie (par la poudre qui explose) et on lui impose une direction unique par le canon du fusil. Une fois sortie du canon, elle garde la direction de la trajectoire, et la seule perte d’énergie est occasionnée par le frottement dans l’air (ou évidemment quand elle rentre dans un médium dur => gros freinage) et par le champ magnétique de la terre. Une fusée par exemple qui est lancé dans l’espace avec une certaine vitesse et dans une certaine direction, gardera ces deux paramètres jusqu’à rencontrer d’autres champs énergétiques (des planètes par exemple). La fusée ne ralentira pas tant qu’il n’y a pas d’obstacles sur son chemin.
Vous pouvez aussi imaginer que vous parlez dans un tube droit et de l’autre côté le spectateur a collé son oreille sur le tuyau. Même un chuchotement sera transmis sur de très longues distances sans problèmes.

Propagation circulaire ; exemple une pierre lance dans une flaque d’eau.

La pierre heurtant l’eau crée immédiatement une vague circulaire autour d’elle qui va se propager en s’éloignant du centre de l’impact en cercles concentriques. Mis à part la consommation d’énergie par les frottements de molécules, on observe ici une nette diminution de l’intensité de cette vague circulaire, proportionnelle à la distance parcourue. La raison est simple : la circonférence du cercle s’accroît continuellement et l’énergie initiale se divise donc continuellement sur un cercle de plus en plus grand

Propagation sphérique ; exemple encore une fois un tir de carabine mais cette fois-ci on observera la propagation du son. (Notez : l’axe horizontal est ici l’axe temporel ; les sphères devraient donc être superposés, plutôt que d’être alignés de gauche à droite)

Le son va partir dans tous les sens à la fois, créant une sphère autour de la source. La trajectoire du son se poursuit en forme de sphères concentriques autour de la source et avec une surface rapidement grandissante. De ce fait l’énergie sonore est rapidement dissipée (on pourrait dire diluée).
Je parle évidemment d’un cas un peu théorique en négligeant complètement l’éventuelle présence d’obstacles (reflexions etc)

(haut de page)

On connaît donc basiquement trois formes possibles de trajectoires :

  • Linéaire dans une seule direction, la surface ne changeant pas
  • Circulaire dans deux dimensions à la fois, la surface s’accroît proportionnellement à la distance
  • Sphérique dans les trois dimensions, la surface s’accroît proportionnellement au carré de la distance.

Imaginez simplement que vous ayez deux gouttes de couleur rouge (l’une pour symboliser la source l’autre pour symboliser le déplacement dans le temps et l’espace) et un verre d’eau (symbolisant l’énergie constante et immuable).

Dans le cas N° 1 : vous pouvez peindre une première tache ou une ligne (la source) ; et puis avec exactement la même quantité (la deuxième goutte) de couleur vous pouvez peindre exactement la même forme n’importe où ailleurs.et la couleur sera de la même intensité

Dans le cas N° 2 : vous peignez toujours la source, mais en dessinant ensuite des cercles concentriques autour de la source vous vous apercevrez que vous devez de plus en plus diluer la peinture pour pouvoir tracer un cercle complet et très vite il y aura plus d’eau que de peinture et on ne verra plus la couleur..
La raison est simple : la circonférence d’un cercle se calcule par C=2r x p i (r pour le radiant, 2r étant le diamètre du cercle; pi=3,14...). Quand vous doublez le radiant (= la distance depuis la source), la circonférence (C ) double aussi. À chaque doublement de distance, il faut donc le double de peinture (énergie) pour pouvoir tracer notre cercle avec une intensité de couleur pareille à la précédente.
Mais puis qu’on n’en a pas, on dilue à moitié avec de l’eau et l’intensité sera de moitié également.
Un doublement ou une division par deux en termes de logarithme correspond à 0,3dB, et dans notre cas (20xlog) à +/-6dB.

Dans le cas N° 3 : vous peignez encore une fois la source, mais maintenant vous devez dessiner des sphères concentriques autour de la source (ou des surfaces circulaires) Là, les choses iront très vite et vous manquerez rapidement de couleur, car la surface à couvrir s’agrandira.deux fois plus rapidement.
La raison : la surface d’une sphère se calcule par S=4x r 2 x p i (r pour le radiant, 2r étant le diamètre de la sphère et 2 2=4). Quand vous doublez le diamètre, la surface (S ) quadruple (r2). Il faut donc aussi quatre fois plus de peinture (énergie) pour pouvoir tracer notre surface avec une intensité de couleur pareille à la précédente.
Mais puisque notre quantité est fixe, on dilue avec trois quarts d’eau et un quart de couleur et l’intensité de la couleur sera donc d’un quart également.
Un quadruplement ou une division par quatre en termes de logarithme correspond à +/-0,6dB, et dans notre cas (20xlog) à +/-12dB..

Pour vous dire : les changements sont énormes, car on peut dire que +/- 8 ou 10 dB-SPL correspond déjà à peu près à un doublement ou la moitié du volume sonore perçu !!

Heureusement, les choses sont un peu moins énormes dans la pratique du quotidien. D’abord il faut constater que ce qui est valable pour la propagation d’un son dans l’air et en altitude (sphère parfaite) ne l’est plus sur terre puis qu’il y a le sol qui absorbe, certes, une partie mais en réfléchi une grande partie aussi ; dans tous les cas on n’a qu’une demie sphère désormais.. Et pour continuer sur notre raisonnement, il faut également prendre en compte que l’émission du son se fait de façon plus ou moins directive, dépendant essentiellement de la construction de l’enceinte mais aussi des fréquences. Pour ces raisons, la propagation ressemblerait plutôt à un cône, plus ou moins étroit ou large (=> la directivité !). On est donc à nouveau dans le cas N°2 une propagation à deux dimensions avec une perte de 6dB-SPL par doublement de distance (la surface rayonnante d’un cône étant un cercle !!)

Dans ce sens, la perte de dB-SPL est directement proportionnelle à la distance et non pas inversement proportionnelle au carré de la distance, comme c’est dit parfois !

En résumant on peut retenir ceci :

    • Sous certaines conditions (par exemple dans une trompette exponentielle ou dans un guide d’onde), et en trajectoire linéaire, le son ne perd pas en intensité et l’on peut même augmenter celle-ci (chambre de compression plus trompette exponentielle, gramophone, instruments à vent etc).
    • En trajectoire linéaire le son perd environ 3 dB-SPL par doublement de distance pendant une courte distance en sortant de l’enceinte – normalement tout au plus un ou deux mètres, on appelle cela aussi le champ Fresnel (physicien français du 18ième siècle) ou le champ proche.
    • En trajectoire circulaire ou conique, le son perd environ 6 dB-SPL par doublement de distance (c’est le cas normal d’une projection de son par une enceinte, qu’elle soit pavillonnaire ou pas) ; on appelle cela aussi la propagation en champ Fraunhofer (physicien allemand du 18ième siècle) ou le champ lointain.
    • En trajectoire sphérique le son perd environ 12 dB-SPL par doublement de distance ; c’est le cas par exemple d’une émission de son à très haute altitude, comme par exemple une détonation etc, et ne rencontrant aucun obstacle.

(haut de page)

La Naissance de la Diffusion Moderne

Déjà dans les années quarante, des chercheurs (et notamment un certain Olson) ont découvert qu’en alignant étroitement des haut-parleurs en une ligne verticale le champ de diffusion horizontal se rétrécissait de plus en plus, ce qui veut dire que la directivité de l’enceinte devenait de plus en plus étroite au fur et à mesure qu’on augmentait le nombre de HPs alignés ; seule condition : la distance entre les HP devait être au strict minimum (imposé évidemment par le diamètre même du HP). Le Line-Array était né, et je le répète, déjà dans les années 40.
Mais ces systèmes pénalisaient beaucoup, de par leur construction, le haut et le bas du spectre. L'aigu et le grave étaient alors fortement atténués et ces enceintes s’utilisaient essentiellement pour la parole et étaient donc destinés aux églises et lieux publics. Le gain en directivité se payait très cher en perte de largeur spectrale. Les Beatles en utilisaient pour leurs premiers concerts dans des stades immenses, mais ces systèmes Line-Array sont rapidement tombés dans l’oubli, à cause de leurs inconvénients pénalisant le son, et d’autres fabricants (comme WEM, Martin Audio, JBL etc) cherchaient d’autres solutions .
C’était seulement dans les années 80 que le principe a été déterré par des chercheurs français comme Alain Puillon Guibert (APG), Eric Vincenot (Nexo) et à leur tête Christian Heil (L-Acoustics), dont les recherches aboutissaient dans le fameux V-Dosc qui a tout simplement révolutionné l’histoire de la diffusion sonore. Le défi était simple en fin de compte , vu avec le recul d’aujourd’hui, mais personne n’y pensait à l’époque. Ils avaient comme but d’étendre le champ proche (ou champ Fresnel) au delà des un ou deux mètres "normaux" d’une enceinte.

En dehors de ces un ou deux premiers mètres devant l’enceinte, la diffusion classique du son faisait perdre 6 dB au son à chaque doublement de distance, dû à la propagation sphérique (ou plutôt conique – voir plus haut). C’est-à-dire, dû au fait que la surface de molécules en mouvement augmentait proportionnellement à la distance.
Si on pouvait imposer une propagation plutôt cylindrique avec une directivité strictement contrôlée et constante, on gagnerait 3 dB et la perte de son ne serait que 3 dB par doublement de distance.
Ceci a été réalisé par Christian Heil (du moins en partie et sur certaines plages de fréquences), et il y aura d’autres articles (dans ce même dossier sur la diffusion) qui rentreront dans les détails de ces découvertes et le principe de fonctionnement de la "Line-Source " et de la WST.

La différence entre un système "Line-Array" répondant aux critères de la WST, et un système classique est simple et évidente.
Un système classique couvre une grande surface, mais il faut beaucoup d’enceintes et beaucoup de puissance pour combler les pertes dûes à la distance . En empilant les enceintes (pour augmenter la puissance) on créera évidemment aussi des champs de perturbation, car la diffusion des différentes sources va se superposer et se mélanger plus au moins chaotiquement, ce qui amène une grande perte d’énergie utile donc une nette baisse de rendement.
Un système Line-array engendre deux fois moins de perte par sa directivité très contrôlée, très étroite. L’enceinte est donc forcément plus petite et surtout elle envoie le son plus loin avec plus de précision tout en consommant moins d’énergie. On gagne donc facilement en puissance. Par contre, la directivité étant très étroite il faut multiplier les enceintes pour arriver à couvrir convenablement une surface donnée.(beaucoup de spectateurs).

Tout ceci est bien sûr très schématisé et un peu théorique mais se rapproche quand même de la réalité. En fait avec une enceinte, on a la plupart du temps affaire à un mélange des deux formes de propagation.
Pour une enceinte classique le champ proche (avec perte de 3dB) est de l’ordre d’un ou de deux mètres (pour un grand bass-horn parfois un peu plus), et puis le champ lointain (avec perte de 6dB) prend toute de suite la relève.
Pour une enceinte Line-Array et correspondant aux critères de la WST (–Wave Sculpture Technology, qu’on verra dans un autre article) on arrive à étendre le champ proche jusqu’à 20 ou 30 mètres, parfois même plus
La grande réussite de Christian Heil (et de tous les chercheurs dans le domaine) était de pouvoir convenablement prolonger ce champ proche ce qui, jusque là, était seulement réalisable pour de très courtes distances – une paire de mètres au plus pour un grand horn.pavillonnaire ; et donc de réduire de manière spectaculaire la perte de son.

Quelques Exemples Pratiques

Après toute cette débauche de théorie j’aimerai clore cet article avec quelques exemples pratiques et simples.

Prenons la sonorisation d’une conférence.

Pour que la parole soit nettement compréhensible, il faudrait une pression d’environ 80 dB-SPL en tous points de la salle. Ceci inclut une bonne marge de quelques dB pour couvrir d’éventuels chuchotements ou autres bruits et toussotements (sinon 70 à 75 dB-SPL suffirait largement dans une salle silencieuse)
Admettons que notre enceinte a une sensibilité de 98dB/1W/1M, et que la salle fait 20 mètres de long.
En diffusion normale (donc avec une perte de 6 dB par doublement de distance), on perdra 26 dB-SPL sur 20 mètres. En amplifiant l’enceinte avec seulement 4 Watts on obtient une pression de 104 dB-SPL à un mètre. Enlevons maintenant la perte perçue en fond de salle il nous reste toute de même encore 78 dB-SPL.
Même une enceinte bas de gamme avec une sensibilité de disons 94 dB-SPL/1W/1M, pourra sans problèmes fournir la pression nécessaire.

Attention, je ne parle pas ici de l’intelligibilité de l’enceinte qui dépend évidemment de la qualité des HP et des paramètres absorbants ou réverbérants de la salle. On observe uniquement le comportement de la pression sonore.

Prenons un autre exemple : la sonorisation d’un petit concert dans la même salle.

On ne va pas être trop exigeant et l’on demandera seulement 100 dB-SPL en fond de salle. Pour compenser la perte de la distance, l’enceinte doit donc fournir 126 dB-SPL à un mètre. Une enceinte avec une sensibilité de 98 dB nécessitera donc 631 Watts pour cela (notez : => déjà 157 fois plus que pour la conférence) ; l’ enceinte bas de gamme de l’exemple précédente nécessiterait même 1500 Watt pour ainsi dire : mission impossible. (merci â Dillan de m'avoir fait remarquer une erreur de calcul :=))
Notez toute fois qu’une enceinte Line-Array avec un champ proche de 20 mètres n’utiliserait que 35 Watts pour la même tache, car la perte sur les 20 mètres sera seulement de 13 dB-SPL (l’enceinte doit donc fournir 111 dB-SPL à un mètre)

Ceci reste théorique car , comme je l’ai dit plus haut, le champ proche et le champ lointain se mélangent et en pratique il faudra quand même une bonne centaine de Watts pour produire cette pression de 100 dB à 20 mètres (et bien entendu on continue à faire abstraction des paramètres de réverbération, absorption de haute fréquences, absorption de son par le public et autres parasitages).
En plus, il faut prendre en considération que le niveau du champ réverbéré augmente aussi rapidement et demande également à être compensé (par un son direct plus fort que notre calcul théorique!).

Prenons maintenant un troisième exemple : un concert en plein-air avec quelques milliers de personnes dans un terrain de foot qui fait 100 mètres de long. On aimerait quand même obtenir un bon 100 dB-SPL à 50 mètres et un 105 dB à la régie à 25 mètres.

Un système classique engendrera 28 dB de pertes sur 25 mètres, 34 dB sur 50 mètres et 40 dB sur 100 mètres.
Une enceinte classique d’une sensibilité de 98dB/1W/1M et de 570 Watts fournira donc théoriquement 98 dB à 25 mètres (régie), 92 dB à 50 mètres et 88 dB à 100 mètres. 88 dB seraient facilement couvert par le bruit de circulation d'une route proche.
Dans cette logique de calcul, il faut déjà 5 enceintes à 570 Watts pour obtenir les 105 dB à 25 mètres et environ 8 enceintes (plus l’amplification en conséquence) pour avoir les 100 dB à 50 mètres.
En réalité la perte sera encore beaucoup plus forte avec la distance due à l’absorption du son par l’air (les fameuses frictions des molécules) qui sera encore plus importante quand on montera dans les hautes fréquences et quand la température de l’air augmentera. Ajoutez un bon 3 à 6 dB de pertes supplémentaires et puis surtout : l’histoire de la sensibilité et de la pression de l’enceinte à 1 mètre est donnée pour un signal de test de 1kHz ; pour reproduire de la musique, il faut bien plus de puissance que ça ( ou sinon, la pression diminue par rapport à un Watt avec sinusoïdale). Et puis la musique live mangera également beaucoup de puissance par le fait d’avoir d’énormes changement de dynamique (les transitoires etc) – comptez environ 10 dB de facteur de crête (minimum).

Grosso modo et sans rentrer dans les détails, il faut se réserver une marge d’une douzaine de dB au minimum (pour un concert live, ça monte rapidement à 20 dB à compenser en plus de la perte due à la distance, valable pour du live, car pour la musique en boîte, la perte sera moins importante !). Enfin c’est quand même assez énorme. Et il faut donc envisager au moins une bonne vingtaine de fois la puissance en plus de ce que l’on a calculé ci-dessus.

Je vous laisse méditer là-dessus :=))

Avec un système Line-source, on rencontrera évidemment ces mêmes contraintes mais fortement atténuées, surtout en ce qui concerne les pertes dues à la distance. Si on a affaire à un système de très haute performance avec un champ proche de disons 30 mètres, on gagne réellement 15dB-SPL à cette distance-là par rapport à un système classique. Et en termes de puissance c’est un rapport de 30 fois. Imaginez donc tous les Watts économisés.

 

Sur ceci je vais clore cet article, mais le sujet-même ne vient que d'être lancé et d'autres articles suivront (rapidement, je l'espère....)!

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© Ziggy Octobre 2005

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