Casques: amplification, impédance, sensibilité
Publié : 05 mars 2011 19:48
L’impédance : c’est quoi ?Je me permets de sauvegarder ici un article utile de Trib sur le sujet posté à l'époque sur genMp3
L’impédance est souvent un facteur qui revient dans le choix d’un casque. Tel quel, ce paramètre n’est pas si important, mais il influe de manière non négligeable dans le rendu final du casque.
Afin de clarifier un peu ce qui se cache derrière l’impédance, on va essayer de présenter les bases, puis aborder les limites des amplificateurs avant de terminer sur les recommandations en fonction de l’usage. L’idéal serait de regrouper dans ce sujet toutes les questions portant sur l’impédance elle-même afin d’étoffer et d’illustrer un peu ce premier message un peu technique. On peut aussi élargir le débat au-delà des casques (câbles, éléments hi-fi, enceintes…), mais toujours tourner autour de l’impédance.
Vous pouvez aller à l’essentiel si le temps vous manque ou si le coeur vous en dit, en sautant directement à la conclusion.
1. La base, un peu de théorie
L’impédance Z est tout simplement l’extension de la résistance au courant alternatif. Plus de détails et de rigueur sur wikipedia.
La relation qui va nous servir est simplement
Code :
U(f) = Z(f).I(f)
avec f la fréquence en Hertz (Hz), U la tension en Volt (V) et I l’intensité en Ampère (A). Pour simplifier, l’impédance est fonction de la fréquence, donc il est logique de considérer la décomposition d’un signal en séries de Fourier. Là encore, simplifions, un signal peut être exprimé comme une somme pondérée de sinusoïdes chacune de fréquence différente.
Donc on peut se limiter à une seule fréquence f, soit
Code :
U = Z.I
C’est une bête multiplication, mais ça nous apprend déjà beaucoup de choses comme nous allons le voir par la suite.
Rajoutons une notion, la puissance P exprimée en Watt, qui est donnée par les relations suivantes :
Code :
P = U² /Z = Z.I²
2. Et l’audio dans tout ça ?
Il faut savoir que le signal audio est encodé le long des divers câbles (de modulation ou d’enceintes) sous forme de tension.
C’est cette grandeur qu’on fait varier quand on modifie le volume sur une chaîne hi-fi ou un baladeur.
Idéalement, tout au bout de la chaîne audio, les enceintes ou le casque ont leur membrane qui bouge proportionnellement à cette tension.
Côté enregistrement c’est le même principe mais en sens inverse, c’est-à-dire les sons font vibrer la membrane du micro qui produit une tension qu’on enregistre. Ainsi on obtient côté auditeur la reproduction exacte de ce qui a été enregistré sur le micro.
En ce qui alimente ces membranes des casques et haut-parleurs, il faut donc leur envoyer une tension, et c’est le boulot des amplificateurs. Pour avoir du volume il faut remuer de l’air, donc l’ampli doit reproduire fidèlement la tension faible qu’il reçoit par exemple d’une platine CD, à puissance plus élevée. D’où l’appellation ampli de puissance. Cet ampli peut être intégré au baladeur, ou être externe (cas d’un ampli-casque dédié).
Sur un amplificateur il y a souvent deux limites distinctes, la tension et l’intensité, qu’il faut bien prendre en compte.
Deux exemples pour illustrer :
* Basse impédance
Prenons un premier casque type nomade, d’impédance 32 Ohms. Sa sensibilité est de de 80dB pour 1 mW (même si très souvent on rencontre à tort 80dB/mW, ce n’est pas 80dB par mW).
Il s’agit là de l’efficacité du casque, sa sensibilité ou son rendement, plein de mots qui disent simplement que quand on fournit 1 milliWatt (1 millième de Watt) au casque, il sort un volume sonore de 80dB.
Si on demande à ce premier casque un volume de 100dB, soit 100 mW, on aura besoin de lui fournir une tension de
Code :
U = (P.Z)^0.5 = (100 mW * 320 Ohms)^0.5 = 1.788 V,
mais aussi une intensité de
Code :
I = (P/Z)^0.5 = (100 mW / 320 Ohms)^0.5 = 55.9 mA
Ce profil de casque est plutôt orienté baladeurs.
Typiquement on retrouve des limitations du genre 1.5V, 30mA pour l”iAudio X5 qui est un baladeur plutôt puissant.
Mais il ne pourra pas pousser ce premier casque à 100dB sans distortion : sa limite est 30mW soit 95dB.
* Haute impédance
Prenons le même casque, mais version haute impédance. Allez, hop 320 Ohms ! Toujours 80dB pour 1mW.
Pour avoir 100dB, l’ampli doit fournir au casque une tension de
Code :
U = (P.Z)^0.5 = (100 mW * 32 Ohms)^0.5 = 5.656 V,
mais aussi une intensité de
Code :
I = (P/Z)^0.5 = (100 mW / 32 Ohms) ^0.5 = 17.6 mA
Et là notre X5 est dans les choux. Il ne pourra pas fournir suffisamment de tension (1.5 < 5.66), alors qu’il en a à revendre côté intensité (30 > 17.6). Comme il est limité à 1.5V, il fera tout au plus 7mW soit 88.5dB.
3. L’ampli et ses limites
On remarque bien que pour le même volume final, les tensions et intensités réclamées à l’ampli sont bien différentes. Un ampli est limité sur ces deux grandeurs simultanément, c’est pourquoi la limite de puissance souvent annoncée ne signifie au final pas grand chose sans mention de l’impédance.
*Limite de tension
Un ampli ça ne crée pas de la tension par magie. Il est souvent alimenté par une tension symétrique, par exemple +1.5V et -1.5V pour le X5. Ce sont les limites de l’ampli, il en pourra pas aller plus loin. Si on lui demande plus, il sature au maximum qu’il peut atteindre.
Cette tension maximum, ou tension de saturation est de toute façon comprise entre les deux tensions d’alimentation.
Les baladeurs sont alimentés par des piles ou batteries. La tension d’une batterie au lithium fait par exemple 3.6V. Comme il faut une tension symmétrique, l’ampli pourra fournir +/- 1.8V, souvent même moins.
C’est pourquoi on préfère utiliser des casques à faible impédance sur les baladeurs, sous peine de se retrouver avec un volume très faible.
Alors comment se manifeste cette saturation ? eh bien c’est très déjà très facilement audible, dès que le son monte un peu (beaucoup d’instruments, un coup de batterie), le son grésille, distord. Dans le cas des enceintes, ça peut facilement griller les haut-parleurs d’aigus (tweeters). Pour un casque en revanche pas trop de danger.
Ce genre de limitation se contourne traditionnellement par l’ajout d’un ampli de puissance, bloc de puissance pour les enceintes, ampli-casque pour … les casques.
Le Cmoy, ampli casque le plus basique, peut s’alimenter en +/- 4.5V (avec une pile 9V), ou même +/- 6, 8, voire même 12V. C’est donc un ampli parfaitement adapté aux casques hi-fi traditionnels à 250 Ohms et plus.
* Limite d’intensité
L’intensité, c’est le débit du courant électrique. Quand il n’y en a plus assez, le son devient brouillon, mais c’est assez dur à déceler et à analyser précisément. Un exemple flagrant, c’est la partie la plus gourmande en énergie, les basses, qui s’effondre. Un exemple est donné ici, où on voit que l’ipod shuffle première génération en avait plus sous la pédane que les gros jukeboxes.
Le manque de courant peut expliquer les réputations de casque “gourmand”, voire “pataud” ou confus s’il est branché directement sur un baladeur, mais ce n’est pas forcément la seule explication. Le casque lui-même peut être en cause. Cette limitation est donc difficile à diagnostiquer.
L’autre point à soulever est la distortion causée par la demande en puissance. Les amplis dont il est question sont des amplis de tension. Ils se comportent en général mieux quand on ne les pousse pas dans leurs retranchements, donc quand on est loin de leur limite d’intensité. C’est une des raisons qui font que les entrées/sorties au niveau ligne ont des très hautes impédances (plusieurs milliers d’Ohms).
Une des caractéristique qui souffrent en cas de basse impédance, même sur les baladeurs, est la séparation Gauche-Droite. En effet, plus l’impédance est faible, plus les voies G et D seront “mélangées”. (Un exemple ici).
Parenthèse sur les amplis-casques. Certains, surtout ceux alimentés par une tension élevée (pile 9V ou transfo externe à 12V et plus) n’ont pas forcément de limite d’intensité élevée. Exemple le Cmoy n’a que 40mA de courant en sortie, donc ne sera pas d’une grande aide avec les casques de 32 ohms et moins du style Grado.
4. Conclusion : alors que choisir ?
Si vous avez tout lu jusqu’ici, tout d’abord bravo et merci. Sinon ce n’est pas grave et bien normal vu le pavé. Essayons de résumer deux grand profils de casques :
* Basse impédance
Nécessaire pour les baladeurs, ces derniers fonctionnant sur batteries. En revanche, beaucoup de courant doit être fourni par l’ampli, qui n’est pas aussi bon qu’avec des hautes impédances.
Ces limitations dans une certaine mesure aussi aux cartes alimentées par USB (5V).
Autre inconvénient, le branchement de casques en parallèles diminue l’impédance (2 casques identiques d’impédance Z en parallèle ont une impédance globale de Z/2), ce qui peut surcharger l’ampli.
La priorité pour un casque de ce type reste la sensibilité, qui permet de compenser la plupart des défauts en réclamant peu de puissance à l’ampli. Mais un autre effet secondaire peut apparaître : on demande tellement peu qu’on est proche du niveau du bruit de fond de l’appareil. C’est le cas des intras, parfois tellement sensibles que le souffle gâche un peu le tableau des écouteurs idéaux en balade.
* Haute impédance
A très haute impédance, difficile à utiliser sur baladeur car trop peu de tension. En revanche, à volume égal, la qualité sonore est habituellement meilleure car l’ampli est moins solicité. Il faut de la tension, donc chaîne hi-fi, ampli-casque ou carte-son avec alimentation dédiée recommandés. Autre avantage, on est plus loin du bruit de fond des appareils.
On peut de plus facilement en brancher une grappe en parallèle, ce qui est utile en studio d’enregistrement (4 casques à 300 Ohms en parallèle font une charge de 75 Ohms au final).
Bref, les casques à haute impédance sont recommandés pour l’usage sédentaire, studio ou hi-fi de salon avec du bon matériel sonore à l’alimentation.
* Pour terminer
Alors impédance haute ou basse ? la question n’est pas si simple, beaucoup d’autres paramètres tels que l’appareil qui pilote le casque, la sensibilité, l’isolation… influent aussi pour déterminer si un casque est adapté ou non à un usage. Néanmoins, un casque à 32 ou 64 ohms voir proche de la centaine sera quand même plutôt polyvalent dans son utilisation.
Article réalisé par TriB
, mais je vais m'y remettre pour l'occasion.