Rendement et puissance

Informations client et quelques notions de base
Réflexions sur les puissances et les niveaux sonores.
Depuis que j'ai mis l'oreille dans le monde de la hi-fi, j'ai du revoir, à l'écoute des spécialistes de tout poil, toutes les notions de base que j'avais acquises tout bêtement à l'école d'électronique. Toutes ces données simples de Watt, d'impédance, de résistance etc. se doublaient de telles notions subjectives, d'un tel tripotage d'utilisation que et je l'ai vérifié depuis, même les labos officiels commencent a y perdre leur latin.
Aussi j'ai eu envie, juste pour me nettoyer les neurones, de réviser d'un peu plus près toutes ces notions fondamentales et de vous faire partager mes re-découvertes.

Dans les livres de vulgarisation, dans les boutiques, le malheureux consommateur se trouve souvent face à des quantités de données contradictoires concernant la PUISSANCE des systèmes. Reprenons donc les termes usuels utilisés dans ce domaine et redonnons leur une juste place et surtout une juste réalité. Malgré le fait que les sensations humaines ont tendance à être régies par des lois exponentielles, pour des raisons de facilité elles sont traduites scientifiquement par des lois logarithmiques (pour les révisions de ces termes barbares, il vous faudra chercher dans votre grenier vos vieux bouquins de maths).
Sommaire des termes techniques :

Le niveau sonore SPL
L'unité de mesure de niveau sonore
Tableau comparatif en valeurs des niveaux sonores en dB(A)
L'unité de mesure de fréquence
L'unité de mesure de la puissance électrique
Réflexion sur les puissances
Puissance ressentie par l'auditeur et histoire de rendement
Conclusion

Le niveau sonore SPL (sound pressure level) correspond à la puissance sonore d'écoute, soit la pression de l'air sur les tympans.

L'unité de mesure de niveau sonore est le dB ou décibel, c'est une unité à progression logarithmique. Le 0 dB correspond scientifiquement à une pression de 2.10-5 Pascals, mais surtout au seuil d'audition de l'oreille humaine, et 1 dB est la variation la plus fine que notre oreille (ou notre cerveau) peut percevoir. Chaque augmentation de 3 dB correspond à un doublement de la puissance d'émission. Le seuil d'audition douloureux se situe vers 120 dB. Pour information, en sonorisation le 0 dB en sortie de table de mixage correspond à 2 Vcc ou 775 mV efficace. Le dB(A) niveau de pression sonore pondéré A, est utilisé en acoustique industrielle et environnementale car il prend en compte le risque lésionnel de l'oreille et de plus est fonction de la courbe physiologique d'audition. Le décibel par watt ou dB/W est représentatif de la sensibilité d'un haut-parleur ou d'une enceinte, c'est le rapport entre la puissance électrique en entrée et le niveau de pression sonore obtenu. La norme est de mesurer le niveau SPL pour 1 Watt à 1 mètre. Ce rendement est très faible, moins de 1% pour des HP industriels et jusqu'à 5% pour les HP haut rendement, mais après tout ceux d'un moteur thermique ou d'une lampe à incandescence ne sont guère meilleurs.

Tableau comparatif en valeurs des niveaux sonores en dB(A)

PRESSION ACOUSTIQUE Pascal (Pa)	NIVEAU DE PRESSION SONORE dB (A)	SENSATION SONORE IMPRESSION SUBJECTIVE	NATURE DES BRUITS
< 2 .10-5	< 0	Imperceptible	Chambre sourde
2 .10-5	0	Seuil d'audibilité	Test d'audiométrie
6,3 .10-5	10	Silencieux	Studio d'enregistrement
2 .10-4	20	Très calme	Voilier, jardin, grotte
6,3 .10-4	30	Calme	Chambre à coucher, voix basse
2 . 10-3	40	Calme	Bureau ou appart. Calme voix normale
6,3 . 10-3	50	Modéré	Bureau ou appart. bruyant voix normale
2 . 10-2	60	Supportable	Appart + télé, voix forte
6,3 . 10-2	70	Bruyant, fort	Rue passagère
2 . 10-1	80	Fort, pénible	Gare, ateliers
6,3 . 10-1	90	Lésions si 8H/jour	Mécanique, tissage
2,00	100	Très intense	Presse, motos, décolletage
6,30	110	Insupportable	Riveteuse, marteau pilon
20	120	Assourdissant	Pas de conversation, discothèque, concert
63	130	Seuil de douleur, troubles, surdité	Réacteur

L'unité de mesure de fréquence est le hertz (Hz). La gamme de fréquence audible théorique de l'être humain ( avec des oreilles toutes neuves et dans de bonnes conditions d'écoute ) se situe entre 15 Hz et 20000 Hz mais plus couramment cette gamme se situe entre 20 et 16000 Hz.
Cette gamme de fréquence est divisée en bandes de fréquence :
Infra grave de 15 à 80 Hz, grave de 80 à 200Hz, bas médium de 200 à 1600Hz, haut médium de 1600 à 7000 Hz et aigu de 7000 à 20000 Hz.
Les fréquences supérieures sont qualifiées d'ultrason et sont imperceptibles par l'oreille. Les infrasons comme les ultrasons augmentent le confort d'écoute mais ces fréquences ne sont plus perçues par les oreilles mais directement par le corps.
Dangers potentiels : les ultrasons au dessus de 20000 Hz peuvent, si leur intensité dépasse 140 dB, provoquer des troubles physiques, de même que les infrasons (inférieurs à 20 Hz) à partir de 100 dB sont très traumatisants et peuvent provoquer de la fatigue inexpliquée, des sensations d'oppression, des nausées etc.
L'unité de mesure de la puissance électrique est le watt (W) cette unité est à progression linéaire.
1 watt donne lieu à une production d'énergie égale à un joule par seconde.
Réflexion sur les puissances : histoire du watt de l'origine et de sa dérive
Tout d'abord il convient de se souvenir que la puissance fournie par un amplificateur dépend de la charge qui lui est appliquée.
P = U.I = R.I²
(avec U la tension en volts, I l'intensité en ampères et R la résistance de charge en Ohms).

Par exemple si l'ampli délivre une tension de 10 Volts, on a :
Avec une charge de 8 Ohms , P = 10² / 8 = 12.5 W
Avec une charge de 4 Ohms , P = 10² / 4 = 25 W

Histoire d'en vouloir toujours plus, la puissance des amplis et des haut-parleurs s'est vue attribuée de nombreuses unités parallèles watts crête ; watts musicaux, watts PMPO, watts DIN.il y a de quoi s'y perdre quand on cherche a répondre a une question aussi simple que " quelle puissance dois je fournir à mon haut-parleur, dont je connais la sensibilité, pour obtenir un niveau sonore choisis et réciproquement.
Voici donc un rappel de ces unités.
Commençons par les vrais Watts, la puissance RMS ( root mean square ) ou puissance efficace, en watts RMS ou watts efficaces.
Voyons les autres :

La puissance crête, watt crête

On l'obtient en multipliant la puissance efficace par racine de 2.

La puissance crête à crête, watt crête à crête

On l'obtient en multipliant la puissance efficace par 2 racine de 2.

La puissance musicale, watts musicaux

On l'obtient en multipliant par deux la puissance efficace.

La puissance DIN, Watt DIN

La puissance DIN est une norme Allemande ou 100 W DIN correspondent à 60 W RMS.

La puissance impulsionnelle

Très peu utilisée elle peut-être 2 à 100 fois supérieure à la puissance RMS correspondante.

La puissance moyenne

Aussi très peu utilisée elle s'obtient en multipliant la puissance efficace par 0.9.

La puissance PMPO, Watt PMPO ( peak music power output )
Les Watts PMPO sont utilisés pour les enceintes amplifiés de type multimédia (PC), il faut diviser cette unité par 30 pour avoir une idée de la puissance efficace.Rappelons qu' il est toujours possible de dépasser la puissance indiquée par le constructeur de l'ampli car celle-ci est donnée pour un taux de distorsion harmonique précis et aussi faible que possible. Cela dit augmenter la puissance augmente la distorsion ainsi que le risque d'endommager les haut-parleurs.

Puissance ressentie par l'auditeur et histoire de rendement :
L'oreille est stimulée par une pression. Cette pression acoustique pour un amplificateur donné dépend directement du rendement des haut-parleurs. Ce rendement exprimé en dB/Watts à 1 m, est le nombre de décibels produits par le HP pour un watt efficace appliqué à ses bornes, la mesure etant effectuée à l'aide d'un micro placé à un mètre du HP.
Exemple :
Prenons 2 enceintes ayant respectivement des rendements de 93 et 102 dB/W soit avec une différence de rendement de 9 dB.
Sachant que le décibel est le logarithme d'un rapport de pressions
G dB = 10 x log (P2 / P1) avec P2 la pression mesurée et P1 la pression référence soit 2 .10-5 Pa. Lorsque nous doublons la puissance nous obtenons un gain de 3 dB.
Ce qui veut dire que si nous alimentons la 2^e enceinte avec 10 W, il faudra alimenter la première avec 10 x 2 x 2 x 2 = 80 W pour obtenir la même pression acoustique donc la même impression de puissance à l'audition.
Ceci démontre à quel point il est important de posséder des haut-parleurs ayant le plus haut rendement possible afin de pouvoir utiliser une amplification de faible puissance.
En effet la distorsion harmonique est directement liée à la puissance de l'amplification. Entre 2 HP qui produisent un même niveau de pression acoustique mais l'un avec 10 W et l'autre avec 80 W, le premier souffrira d'une distorsion harmonique bien moindre.
De plus moins un HP est sensible plus il tasse la dynamique.

Conclusion :
De cet article il vous faut retenir trois notions primordiales au choix de ses haut-parleurs :

- Seuls les watts efficaces ou RMS sont significatifs

- Il faut toujours faire attention au rendement de ses HP pour en déduire les qualités de fonctionnement et pour prévoir ce qu'ils sont capables de produire comme pression acoustique.

- La puissance d'un haut-parleur ne définit que sa puissance maximum admissible.