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La distorsion

Les spécifications des enceintes - 6e partie

Toujours en limitant le propos au domaine des enceintes, abordons dans ce dernier chapitre la question de la distorsion. Il est intéressant de comprendre pourquoi c’est une spécification qui est rarement affichée pour les enceintes, à l’inverse des amplis pour lesquels c’est toujours donné.

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Une défi­ni­tion

On part du prin­cipe qu’un système de diffu­sion doit repro­duire le plus fidè­le­ment possible le signal audio source et qu’on fuit toute dégra­da­tion du signal. On ne parlera pas ici de la distor­sion comme effet esthé­tique recher­ché. Il y a distor­sion lorsque le signal sortant est altéré comparé au signal entrant (on exclut l’aug­men­ta­tion du niveau géné­ral). Selon les effets qu’ils produisent, on distingue plusieurs types de distor­sion : la distor­sion linéaire et la distor­sion non linéaire (avec des sous-caté­go­ries dans chacune).

Distor­sion linéaire : réponse en fréquence et en phase

La distor­sion linéaire englobe les acci­dents dans la réponse en fréquence et en phase. Quand l’am­pli­tude de toutes les fréquences n’est pas resti­tuée avec la même exac­ti­tude et que le temps de réac­tion de l’en­ceinte n’est pas le même pour toutes les bandes de fréquences, cela consti­tue une distor­sion du signal. Ce type de distor­sion est dit « linéaire » parce qu’il ne génère pas de fréquences nouvelles : les fréquences en entrées sont celles en sortie, on ne fait que consta­ter les écarts d’am­pli­tude et de phase. 

06 A Little Princess Amplitude small
Extrait de Loud­spea­ker maga­zine, mars 2013

On repré­sente par des courbes les réponses en fréquence et en phase. Une réponse idéale signi­fie­rait : pas d’écart d’am­pli­tude avec la source et une latence qui serait iden­tique sur l’en­semble de la bande passante de fonc­tion­ne­ment (pas de dépen­dance de la phase avec la fréquence). Évidem­ment, c’est un modèle théo­rique diffi­ci­le­ment attei­gnable, surtout si on veut couvrir tout le spectre audible. Beau­coup de para­mètres entrent en ligne de compte. Les haut-parleurs, les enceintes et les filtres sont des produits complexes et chacun contri­bue, à son niveau, à créer un peu de distor­sion.

Exemple ci-contre de courbe de réponse en fréquence (bleue) et en phase (rouge) d’une enceinte de hi-fi. Le niveau de pres­sion acous­tique (dB SPL), à gauche, sert à lire la réponse en fréquence. L’angle (degrés), à droite, sert à lire la réponse en phase. En bas : les fréquences en hertz.

Distor­sion non-linéaire : distor­sion harmo­nique

06 B Exemple de signal periodique

La distor­sion non linéaire rajoute au signal des fréquences qui n’étaient pas présentes en entrée. Parmi ces fréquences, on diffé­ren­cie les harmo­niques et les autres. Un harmo­nique est un multiple entier de la fréquence fonda­men­tale : par exemple, un sol à 392 Hz a pour deuxième harmo­nique 784 Hz (392 × 2), pour troi­sième 1568 Hz (392 × 3). Un son musi­cal (donc avec un aspect pério­dique) comporte une fréquence domi­nante (la fonda­men­tale : la longueur d’onde prin­ci­pale) qui carac­té­rise la hauteur de note, et des harmo­niques (des longueurs d’ondes propor­tion­nelles), moins forts, mais qui contri­buent beau­coup au timbre du son.

Le signal se décom­pose en cycles qui se répètent. La vitesse à laquelle les cycles se répètent carac­té­rise la fréquence. La longueur d’un seul cycle est appe­lée la période.

06 C KH420 THD 100 510
Courbes de THD d’une enceinte Neumann KH420, Docu­men­ta­tion Neumann

En utili­sant une fréquence pure (sans harmo­niques, donc une onde sinu­soï­dale) comme signal, on peut mesu­rer le niveau d’émer­gence des harmo­niques qu’on trouve à la sortie. On balaye ensuite la bande passante de fonc­tion­ne­ment, le résul­tat est un ensemble de courbes de niveaux (une par harmo­nique mesuré). On exprime la quan­tité totale de distor­sion harmo­nique (THD) sous forme d’un ratio entre le niveau des harmo­niques et le niveau de la fonda­men­tale, soit en pour­cen­tage, soit en dB, avec une indi­ca­tion du niveau géné­ral auquel la mesure a été faite, et la mention d’une bande passante. Par exemple : THD = 3 % pour 90 dB SPL (100 Hz – 20 kHz). Il est inté­res­sant de consi­dé­rer que dans le domaine psychoa­cous­tique, la sensa­tion de dégra­da­tion du signal n’est pas vrai­ment propor­tion­nelle au taux de distor­sion harmo­nique. Le deuxième harmo­nique en parti­cu­lier, est souvent consi­déré comme pouvant ajou­ter de la « rondeur » au son.

Ci-contre, des courbes de mesure du THD d’une enceinte de moni­to­ring Neumann KH420. En violet : distor­sion harmo­nique totale. En rouge : 2e harmo­nique. En vert : 3e harmo­nique. À gauche est repré­senté l’écart de niveau avec la fonda­men­tale. En bas, les fréquences. Le 2e harmo­nique de 10 kHz étant 20 kHz, limite supé­rieure de l’oreille humaine, la courbe s’ar­rête à 10 kHz. 

Distor­sion non linéaire : l’in­ter­mo­du­la­tion

Les choses se compliquent lorsque le signal source est composé de plusieurs notes simul­ta­nées, avec chacune sa fonda­men­tale. En plus de la distor­sion harmo­nique appa­raît un phéno­mène d’in­ter­mo­du­la­tion ; des fréquences qui ne sont pas des multiples entiers des notes fonda­men­tales appa­raissent. Elles sont sans corré­la­tion musi­cale avec les fonda­men­tales et dégradent forte­ment la qualité d’écoute. Le taux de distor­sion par inter­mo­du­la­tion n’est jamais rensei­gné dans les spéci­fi­ca­tions d’en­ceintes (sauf à titre expé­ri­men­tal). L’in­ter­mo­du­la­tion varie telle­ment selon les compo­santes du signal source, que les résul­tats ne sont pas vrai­ment signi­fi­ca­tifs.

D’une manière géné­rale, les cata­logues d’en­ceintes sont assez avares avec les mesures de distor­sion. Elles sont compliquées à faire, le signal de test pour l’in­ter­mo­du­la­tion n’est pas stan­dar­disé et les enceintes étant l’étage qui amène le plus de distor­sion dans la chaîne son, les construc­teurs n’ont peut-être pas envie de faire peur aux clients… Le taux de distor­sion harmo­nique totale d’une enceinte peut faci­le­ment atteindre 5 %, et encore plus dans les basses fréquences. En compa­rai­son, les amplis à tran­sis­tors affichent souvent un THD < 0,1 % sur l’en­semble du spectre.

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La sensibilité et le rendement

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