Dernière mise à jour : 16/01/2011
Présentation
Il existe une multitude d'écrits sur les filtres audio, j'en
suis bien conscient. Pour ma part, je n'ai point envie de
répéter une énième fois ce qu'on peut lire
à gauche ou à droite, et je n'ai surtout pas envie de
mettre des formules mathémathiques à tout va. J'ai trop
souvenir de l'effet que ça m'a fait la première fois que
j'en ai vu.
Voir aussi Filtres
passifs
pour haut-parleurs.
Qu'est-ce qu'un filtre ?
D'une façon générale, on peut dire qu'un filtre
est un élement qui laisse passer certaines choses et qui en
retient d'autres. Un filtre à café retient le café
en poudre, mais laisse passer l'eau qui a pris l'arôme du
café. Un tamis est un autre exemple de filtre, qui laisse passer
le sable fin et retient les gros grains (et les pépites quand on
est chanceux). Dans le domaine audio, c'est la même chose : un
filtre audio laisse passer certains sons et en bloque d'autres. On peut
donc dire dès maintenant qu'un filtre audio ne laisse
passer les sons que s'ils ont une fréquence incluse dans une
certaine plage de fréquence, et qu'en dehors de cette plage, ils
sont bloqués ou plus ou moins fortement atténués.
Fréquence de coupure / fréquence centrale
La fréquence de coupure d'un filtre est la fréquence
à partir de laquelle il commence à agir de façon
nette. Si l'on veut préciser ce que signifie "de façon
nette", on peut ajouter que c'est la fréquence pour laquelle le
signal subit une baisse d'amplitude de 3 dB, valeur pour
laquelle
l'oreille est capable de discerner une différence. Selon la
nature
du
filtre, les fréquences
affectées sont celles situées avant ou après la
fréquence
de coupure. On parle de fréquence centrale quand le filtre agit
de façon
"symétrique" par rapport à un axe central placé
sur l'échelle des
fréquences.
Préambule concernant la forme des courbes
Comme
bien souvent en électronique et ailleurs, un dessin commenté en
quelques lignes vaut mieux qu'un grand discours. Il existe une
multitude de filtres et il n'y a rien de mieux qu'un graphique sous
forme de courbe pour montrer visuellement leur action. Mais avant de
vous présenter des courbes, je préfère indiquer dès maintenant qu'il
existe plusieurs façon de les représenter, et indiquerai ensuite mon
choix. Quand il s'agit de représenter des niveaux qui s'étendent sur de
grandes plages de valeur, il est d'usage d'utiliser les logarithmes et les décibels
pour compresser les valeurs à afficher et rendre leur forme plus facile
à lire et à comprendre. Voici ci-après quatre courbes adoptant
des
échelles différentes et ont des formes différentes, et qui
représentent pourtant exactement la même
chose (bande passante d'un filtre passe-bas dont la fréquence de
coupure à -3 dB est de 10 KHz).
Et voici ci-après quatre autres courbes adoptant des
échelles différentes et ont des formes différentes, et qui
représentent là aussi pourtant exactement la même
chose (bande passante d'un filtre passe-haut dont la fréquence de
coupure à -3 dB est de 250 Hz).
Il
est évident que ces formes peuvent être interprêtées différemment selon
notre humeur. Et pourtant si on sait lire une courbe, on lit exactement
les mêmes valeurs sur chacune d'elle (après conversion des unités bien
sûr) !
- Courbes
1 - Echelles
verticale et horizontale en linéaire. La largeur du graphe représente
une bande de fréquences comprises entre 20 Hz et 20 KHz, la fréquence
10 KHz est située au centre.
- Courbes
2 - Echelle verticale en linéaire et échelle
horizontale en
logarithmique. La
largeur du graphe représente toujours une bande de fréquences comprises
entre
20 Hz et 20 KHz, la fréquence 10 KHz est située proche du bord droit du
graphique (le centre étant approximativement situé sur 500 Hz).
- Courbes
3 - Echelle verticale en logarithmique
et échelle
horizontale en linéaire.
- Courbes
4 - Echelles verticale et horizontale en log. On
constate
que la forme de la courbe est très similaire à celle de la courbe
2.
Le mode de représentation que j'adopte est celui des courbes 4
(échelles horizontale et verticale en log), parce que la forme
affichée est proche de la façon dont l'oreille humaine perçoit les
choses, et est de ce fait plus "parlante".
Filtre passe-bas
LPF = Low Pass
Filter =
Filtre
passe-bas
Un
filtre audio passe-bas est un filtre qui laisse passer les sons tant
que leur fréquence se situe en-dessous d'une valeur
donnée. Par exemple, un filtre passe-bas dont la
fréquence de coupure est de 10 KHz, laisse passer normalement
les sons (sans les atténuer, ou avec une faible
atténuation) si leur fréquence est inférieure
à 10
KHz. Si les sons appliqués à l'entrée du filtre
sont de fréquence supérieure à 10 KHz, ils sont
atténués. C'est ce que montre la courbe suivante.
La fréquence de coupure n'implique pas la présence
d'un gros mur infranchissable : plus la fréquence du signal qui
arrive au filtre est
éloignée de la fréquence de coupure, et plus le
signal est atténué.
Filtre passe-haut
HPF = High Pass Filter = Filtre
passe-haut
Un filtre audio passe-haut est un filtre qui laisse passer les sons
tant que leur fréquence se situe au-dessus d'une valeur
donnée. Par exemple, un filtre passe-haut dont la
fréquence de coupure est de 250 Hz, laisse passer normalement
les sons si leur fréquence est supérieure à 250
Hz. Si les sons appliqués à l'entrée du filtre
sont de fréquence inférieure à 250 Hz, ils sont
atténués.
Et plus leur fréquence est
éloignée de la fréquence de coupure, et plus ils
sont atténués.
Filtre passe-bande
BPF = Band Pass Filter = Filtre
passe-bande
Le filtre audio passe-bande est un filtre qui laisse passer les sons
tant que leur fréquence se situe dans une plage donnée,
et possède non pas une, mais deux fréquences de coupure :
une fréquence de coupure basse et une fréquence de
coupure haute. Par exemple, un filtre passe-bande présentant des
points (fréquences) de coupure à 300 Hz et à 3
KHz, atténuera les sons dont la fréquence se situe
en-dessous de 300 Hz ou au-dessus de 3 KHz. Par contre, tout signal de
fréquence comprise entre ces deux valeurs de 300 Hz et 3 KHz
sortira du filtre, avec une atténuation faible ou nulle.
Filtre coupe-bande
Le filtre audio coupe-bande est l'inverse du filtre audio passe-bande.
Il laisse passer les sons si leur fréquence se situe en dehors
d'une plage donnée. Comme le filtre audio passe-bande, il
possède deux points de coupure : une fréquence de coupure
basse et une fréquence de coupure haute. Par exemple, un filtre
coupe-bande présentant des points (fréquences) de coupure
à 300 Hz et à 3 KHz, ne laissera pas passer les sons dont
la fréquence se situe au-dessus de 300 Hz et au-dessous de 3
KHz. Par contre, tout signal de fréquence extérieure
à cette plage, passera dans et sortira du filtre. Il faut noter que ce
type de filtre est moins utilisé que les autres, l'atténuation d'une
bande de fréquence se fait souvent avec une largeur de bande assez
étroite, et on appelle alors ce genre de filtre, un filtre réjecteur.
Filtre réjecteur
Notch
Le filtre audio réjecteur peut être comparé
à un filtre audio coupe-bande très "serré", ou les
deux points de coupure se rejoignent. Parce que la portion de la bande
passante traitée par ce type de filtre est très
étroite, on ne parle pas de fréquences de coupure (haute ou basse),
mais de
fréquence de réjection. Ce type de filtre permet de
supprimer non pas une large bande de fréquence, mais juste une
petite portion de la bande passante. Assez petite par exemple pour que
son effet soit à peine audible. C'est ce type de filtre qui est
utilisé dans les systèmes anti-larsen, ou tout autre système visant à
réduire fortement un son de fréquence fixe gênant.
Le
taux de réjection (la force d'atténuation) peut être très élevée, mais
parfois au détriment d'autres paramètres importants du filtre, tel sa
stabilité sur la fréquence considérée.
Pente d'atténuation
La pente d'atténuation représente la force avec laquelle le filtre
atténue les signaux "hors-fourchette". On parle de pente en
sous-entendant qu'il s'agit de la pente d'une courbe que l'on voit
tracée sur un graphe. Les courbes suivantes montrent l'effet de deux
filtres qui sont de même type (filtres passe-bas), mais qui présentent
une force d'atténuation (pente) différente.
De façon intuitive, et même sans s'y connaitre trop, on devine que
le filtre ayant conduit à l'obtention de la courbe de gauche est moins
"efficace" que celui ayant conduit à l'obtention de la courbe de
droite. Attention cependant quand on fait des comparaisons entre
courbes, à ce que les échelles (tant verticale qu'horizontale) soient
identiques. Les graphes qui suivent montrent que si on n'y prête pas
attention, on peut vite interpréter de travers...
De
ces deux graphes, celui qui présente la pente la plus raide est celui
de droite, ce que ne laisse pas du tout penser un rapide apperçu ! En
conclusion, laissez toujours votre oeil se poser un instant sur les
échelles pour vous faire une idée de l'ordre de grande de ce qui est
affiché.
Comment définir une pente sans courbe à l'appui ?
La pente se définie par la différence d'atténuation apportée entre deux
fréquences distinctes.
Exemple 1
: si un filtre apporte une atténuation de 3 dB à 1 KHz et une
atténuation de 15 dB à 2 KHz, on parle alors d'une pente de 12 dB par
octave (15 dB - 3 dB, sur une plage de fréquence allant du simple au
double).
Exemple 2 :
si un
filtre apporte une atténuation de 0,4 dB à 1 KHz et apporte une
atténuation de 10,4 dB à 10 KHz, on parle alors d'une pente de 10 dB
par
décade (10,4 dB - 0,4 dB, sur une plage de fréquence
allant du simple à dix foix plus).
Ondulation dans la bande
L'ondulation dans la bande
représente l'aptitude du filtre
à se comporter de la même façon pour toutes les
fréquences comprises dans la bande où le signal doit
passer normalement. Elle doit être minimale, car dans la partie
où le signal ne doit pas être touché
(atténué), le signal
sortant doit ressembler le plus possible au signal entrant. Il existe
plusieurs types de filtres, chacun présentant des
caractéristiques qui sont propres à sa structure. Si une
faible ondulation dans la bande traitée est un critère
important, on choisira un type de filtre plutôt qu'un autre, en
n'oubliant pas de consulter ses autres caractéristiques
(stabilité, facteur Q, déphasage, etc).
Filtre passif ou filtre actif ?
On peut classer les filtres audio en deux grandes catégories :
les
filtres passifs et les filtres actifs. Les filtres passifs sont
constitués de composants électroniques simples, tels que
résistances,
condensateurs et selfs, qui ne nécessitent pas d'alimentation
pour
fonctionner. Ils peuvent être très simples à
construire (mais pas
forcement très simples à calculer), et présentent
l'inconvénient
principal d'apporter une perte, qu'on appelle perte d'insertion. Cette
perte n'est pas forcement toujours très importante, mais elle
existe et
il faut toujours en tenir compte. Un filtre actif quant à lui
requiert
des composants électroniques tels que transistors ou
amplificateurs
opérationnels, qui nécessitent une source
d'énergie (alimentation
secteur ou piles), en plus des composants de base (résistances,
condensateurs et éventuellement selfs). Un filtre actif est donc à priori
plus "difficile"
à
construire, mais présente l'avantage de pouvoir compenser la
perte de
niveau électrique apportée par le filtre passif (on peut
même ajouter
du gain), et surtout de faciliter son insertion dans un circuit
existant (moins de problème d'adaptation d'impédance). Il
existe
cependant des situations où l'emploi d'un filtre actif est
impossible,
par exemple dans le domaine des fortes puissances, quand on dispose
d'un unique amplificateur audio de puissance qui doit attaquer une
enceinte comportant plusieurs
haut-parleurs dont les plages de fréquences restituables sont
très distantes. Si l'on veut effectuer un filtrage pour
n'envoyer
à plusieurs haut-parleurs que les signaux de fréquences
qu'ils sont capables de traiter, et qu'on ne veut pas utiliser de
filtres passifs, il faut recourir à un filtrage actif sur le
signal au niveau ligne (avant amplification) et utiliser un
amplificateur de puissance différent pour chaque bande de
fréquences traitée (une bande pour chaque haut-parleur).
Les synoptiques qui suivent montrent que dans le domaine de
l'amplification audio à trois voies - grave, médium et
aigu (mais c'est la même chose pour deux voies ou même bien
plus), on peut envisager les deux solutions passive ou active :
Filtre passif 3 voies
Ici, un seul amplificateur audio de puissance est mis en oeuvre. Le
signal de forte puissance qu'il délivre (large bande puisque
contenant les graves, les médiums et les aigus) est
découpé en trois bandes à l'aide de filtres
passifs dont les caractéristiques sont adaptées aux
caractéristiques propres des haut-parleurs utilisés.
Il s'agit d'une méthode fort répendue, qui offre
l'avantage de disposer d'enceintes pouvant être directement
reliées à un amplificateur classique, pour chez soi
(hi-fi) ou pour la sonorisation.
Filtre actif 3 voies
Ici, le signal BF est découpé en sous-bandes avant toute
amplification de puissance (cela est fait au niveau ligne), chaque
sous-bande est ensuite amplifiée séparement. Le
rendement énergétique au niveau amplificateur /
transducteurs (HP) est meilleur puisqu'il n'y a pas de filtre passif
entre la sortie des amplis et leur haut-parleur associé.
Mais bien sûr, il faut plusieurs amplis...
Combinaison de filtres actifs et passifs
Il est tout à fait envisageable de réaliser une
installation comportant du filtrage passif et du filtrage actif, comme
le montre le synoptique suivant.
Dans ce cas précis, trois amplificateurs de puissance sont mis
en oeuvre, qui peuvent être physiquement séparés
(un ampli stéréo et un ampli mono) ou inclus dans un seul
et même coffret. Il est fait appel à trois enceintes
passives : deux enceintes permettant de restituer les fréquences
médium et aigus pour les deux voies gauche et droite, et une
seule enceinte permettant de restituer les fréquences basses (on
peut se contenter d'amplifier les basses en monophonie car l'oreille ne
peut localiser la provenance des signaux de fréquences graves,
cela étant lié aux longueurs d'onde des signaux BF
émis et à la distance qui sépare nos deux
oreilles). Comme il n'est tout de même pas question d'amplifier
les fréquences basses à partir d'une seule voie, les deux
voies gauche et droite sont sommées et le point de sommation
abouti à l'entrée du filtre actif dédié aux
fréquences graves.
Cas des enceintes amplifiées (enceintes actives)
Les
enceintes
amplifiées (plus souvent deux voies que trois voies) comportent les HP,
les amplificateurs de puissance, l'alimentation (de puissance) et les
élements de refroidissement passifs (radiateurs). C'est pourquoi de
"petites" enceintes actives de quelques dizaines de watts arrivent à
peser parfois aussi lourd.
Exemple d'un filtre passif simple
Un filtre passif peut être vraiment très simple, comme
vous pouvez le
voir sur le schéma suivant qui ne montre que deux composants,
une
résistance et un condensateur câblés en filtre passe-bas
du premier ordre, et dont la pente d'atténuation est de 6 dB /
octave.
Ce type de filtre est certes interressant pour sa
simplicité,
mais sa mise en oeuvre peut réserver des surprises. Pourquoi ?
La pente d'atténuation est faible, mais à la limite, on
peut s'en contenter. Regardons plutôt comment se comporte ce
filtre quand il est utilisé seul et quant il est
intégré dans un circuit réel. Dans la
théorie, tout le monde est beau et gentil : la source sonore,
dont la sortie est reliée à l'entrée "In" du
filtre présente une impédance de sortie faible (< 1
ohms). Et l'entrée du circuit sur lequel sera raccordée
la sortie "Out" du filtre, présente une impédance
d'entrée très élevée (> 1 Mohms). Dans
ces conditions, la fréquence de coupure du filtre RC (22 Kohms +
1 nF) est de 7,2 KHz, et la perte de niveau qu'il introduit est
quasiment nulle dans la bande utile. Si maintenant nous insérons
ce filtre entre une sortie d'impédance 500 ohms et une
entrée d'impédance 10 KOhms, la fréquence de
coupure est décallée au-delà de 20 KHz et la perte
d'insertion passe à plus de 10 dB dans la bande utile ! Autant
dire qu'il est totalement inutile de concevoir un tel filtre si on ne
connait pas le circuit dans lequel il va être
inséré, ce serait peine perdue. Notons que
l'élement le plus perturbateur ici est la résistance
d'entrée du sircuit auquel au connecte la sortie du filtre. Si
cette résistance (impédance) d'entrée est de 100
KOhms au lieu de 10 KOhms, la perte d'insertion redescend à 2 dB
et la fréquence de coupure "revient" à 8,7 KHz, ce qui
est tout de même plus proche des valeurs théoriques.
Intuitivement, on se doute que l'ajout d'un filtre non prévu
dans un système existant, demande quelques précautions
d'emploi.
Exemple d'un filtre actif simple
Avec le fiiltre passif précédent, le principal
problème réside dans l'influence du circuit qui
précède le filtre et de celui qui le suit. Celui qui le
précède doit présenter une impédance de
sortie faible, et celui qui le suit doit présenter une
impédance d'entrée elevée. On peut donc tout
naturellement envisager la mise en place d'adaptateurs
d'impédance en entrée et en sortie du filtre, de sorte
que sa mise en place ne pose aucun problème dans toutes les
situations possibles. Le schéma suivant montre un exemple d'une
telle mise en oeuvre, avec deux AOP (amplificateurs
opérationnels) montés en suiveur de tension et qui encadrent le filtre
passif.
L'AOP U1:A assure l'adaptation d'impédance en entrée, et
l'AOP U1:B assure l'adaptation d'impédance en sortie. Avec ce
circuit, le comportement du filtre est quasiment identique à
celui attendu en théorie. En pratique, ce type de filtre est peu
utilisé (tout du moins dans cette configuration précise),
car il existe d'autres moyens d'obtenir les mêmes
résultats avec un circuit plus "présentable". On peut par
exemple se passer de l'étage d'adaptation d'entrée si on
accèpte de travailler de façon plus "approximative".
Ainsi, le schéma simplifié suivant peut suffire dans bien
des cas.
Il ne faudra toutefois pas que l'impédance de sortie de
l'étage qui précède soit trop élevée.
Autre exemple de filtre actif
On
a très facilement tendance à envisager l'usage d'AOP pour réaliser des
filtres passe-haut ou passe-bas, mais on peut tout aussi bien utiliser
des transistors. Le schéma suivant expose un exemple de filtre de type
passe-bas dont la fréquence de coupure (à -3 dB) est située autour de
1,25 kHz.
La partie gauche (avant R4) est un simple adaptateur d'impédance
réalisé avec un transistor NPN monté en suiveur de tension, pour éviter
que le comportement du filtre qui suit (à partir de R4) ne soit
dépendant du circuit de sortie de l'étage audio qui précède. Le
couplage entre les deux transistors Q1 et Q2 se fait en continu - pas
de condensateur de liaison entre les deux - ce qui permet
l'économie d'une résistance de polarisation sur la base du second
transistor. Le type de circuit horrible à calculer, moi-même n'oserais
même pas le soumettre à des élèves. Les deux résistances R4 et R5
doivent posséder la même valeur, et le condensateur C2 doit avoir une
valeur double de celle de C3. Pour changer la fréquence de coupure du
filtre, plutôt modifier C2 et C3 et ne pas trop toucher à R4 et R5.
Filtres "universels"
Il existe des schémas de filtres actifs analogiques qui sont
tellement répandus et utilisés qu'on peut presque les
qualifier d'universels. Ces filtres peuvent s'appuyer sur une
même structure de base pour assurer la fonction de passe-bas,
passe-haut ou passe-bande, comme cela est décrit en page Filtre
BF 008.
Remplacement de grosses selfs par des petits composants
électroniques
Le filtrage dans les basses fréquences peut nécessiter de
grosses
selfs, ce qui peut rendre un montage volumineux et cher. Et pas
seulement dans les filtres passifs d'enceintes : dans les vieux
égaliseurs audio, il n'était pas rare de rencontrer des
selfs de grande
taille (surtout pour les bandes de fréquence les plus basses),
que les
constructeurs ont bien évidement cherché à
supprimer, et ce tout en restant dans le
domaine du tout analogique, bien avant l'arrivée des DSP
(Digital Signal
Processor). L'amplificateur opérationnel (AOP) est un circuit qui peut
servir
à plein de choses, et qui en particulier peut remplacer une
grosse self
si on le cable d'une façon bien précise avec quelques
composants annexes, à savoir en gyrateur. Sous ce terme un peu
barbare se cache juste un "simulateur d'inductance", c'est à
dire un circuit qui se comporte comme une self, d'un point de vue
courant et tension, à une fréquence de fonctionnement
donnée. Mais attention, il
n'est pas possible de remplacer une self dans laquelle passe
de la puissance (filtre passif de HP) par un AOP ! Le gyrateur ne peut
être mis en oeuvre qu'avec des signaux électriques de
niveau "ligne". Exemple d'égaliseur audio sans self, avec AOP : Egaliseur
audio 001.
Filtres intégrés
La conception et la réalisation de filtres audio analogiques
montre ses limites quand il s'agit d'obtenir des filtres ayant une
pente très raide, tout en conservant de bonnes
caractéristiques dans la bande utile (pas trop d'ondulation ni
trop de surtension au point de flexion). Deux types de circuits
prennent l'avantage quand il s'agit de réaliser des filtres
complexes : les filtres intégrés à
capacités commutées, et les circuits de traitement
numériques, qui nécessitent une conversion analogique
vers numérique préalable. Il va de soi que ce type de
solution n'est plus vraiment du ressort de l'amateur.
Autres sites traitant des filtres
http://www.petoindominique.fr/php/accueil.php
