Schéma filtre actif sono 4 voies fréquence ajustable

Un schéma de filtre actif 4 voies avec fréquences de transition ajustables est présenté ici avec la particularité de n'utiliser que des ampli op, potentiomètres, résistances et condensateurs. Aucun composant spécifique n'est utilisé dans ce filtre actif.

Voici un schéma de filtre actif 4 voies avec fréquences de transition ajustables. Pour la multiamplification, un filtre actif est en effet indispensable pour répartir les bandes de fréquences destinées à leurs amplis et haut-parleurs respectifs. Ici est présenté un filtre actif 4 voies. Il est possible de le modifier en fonction de ce qu'on souhaite réaliser comme système acoustique (sound system).

Filtre actif sono : schéma

Voici donc le schéma du filtre actif dont les 3 fréquences de transition sont ajustables :

Schéma du filtre actif pour sono 4 voies (fréquences réglables) pour système mono

Pour une version stéréo du filtre, il faudra réaliser un deuxième filtre. Il n'existe pas que potentiomètres quadruples pour gérer simultanément deux voies audio.

Caractéristiques du filtre actif sono

Ici a été choisi un filtre actif 4 voies avec comme caractéristiques :

- voie 1 : de 30 Hz (fixe) à 50 Hz ... 300 Hz ajustable par P1 (basses pour caisson de grave)

- voie 2 : de 50 Hz ... 300 Hz ajustable par P1 à 100 Hz ... 600 Hz ajustable par P2 (voie bas médium "low mid")

- voie 3 : de 100 Hz ... 600 Hz ajustable par P2 à 1500 Hz ... 9000 Hz ajustable par P3 (voie haut médium "high mid")

- voie 4 : de 1500 Hz ... 9000 Hz ajustable par P3 à 20000 Hz et plus (voie aigu)

Le filtre passe haut en entrée du filtre actif, dans l'encadré orange, est facultatif mais vivement recommandé pour protéger les caissons de grave de fréquences trop basses qu'ils seraient incapables de bien reproduire. C'est un filtre d'ordre 2 qui donne une atténuation de -12 dB par octave. Cette voie est destinée aux caissons de grave, idéalement basés sur des haut-parleurs de 46 cm (18 pouces) ou au moins 38 cm (15 pouces). Les caissons de basse sont souvent à évent laminaire ou mieux, à toboggan ou de type W-bin.

La voie 2 ne fournira du signal que lorsque P1 et P2 sont dans des positions compatibles, par exemple P1 ajusté pour 100 Hz et P2 ajusté sur 250 Hz. Les fréquences de transition permettent d'ajuste la voie 2 dans un large choix de bandes de fréquences.

La voie 4 ne possède pas de filtre passe bas.

Principe de fonctionnement du filtre actif sono

Le signal audio contenant toutes les fréquences arrive tout d'abord sur le filtre passe haut de fréquence fixée à 30 Hz. Son but est d'éliminer les fréquences inférieures à 30 Hz pour protéger les haut-parleurs des caissons de grave ou d'extrême grave ("infra"). C'est un filtre d'ordre 2 basé sur l'ampli op U4. Par souci de simplicité, C1 et C2 sont choisies identiques. La réponse en fréquence autour de la fréquence de coupure est déterminée par l'amortissement du filtre (lié à R1 et R2, ou plus exactement à la racine carrée du rapport R1/R2).

Le signal en sortie de U4 est maintenant nettoyé des plus basses fréquences et contient donc les fréquences de 30 Hz à 20 kHz. La limite de 20 kHz est arbitraire et ne dépend en fait que du signal audio en entrée du filtre.

Le premier filtre passe bas (encadré magenta F1) est un filtre passe bas d'ordre 2 de fréquence de coupure ajustable de 50 Hz à 300 Hz environ grâce à P1. Lorsque P1 est en butée à sa valeur maximale, la fréquence de coupure est de 50 Hz. Lorsque P1 est en butée à sa valeur minimale, il ne reste plus que R3 et R4 et la fréquence de coupure est alors de 300 Hz. Le potentiomètre P1 est un 10 kOhms et doit être impérativement double (stéréo). L'amortissement du filtre d'ordre 2 est égal à la racine carré du rapport C4/C3. Cette égalité est valable car on a choisi les deux résistances égales R3 + P2 et R4 + P2. A l'issue de ce filtre passe bas F1, on a donc la voie 1 du filtre : coupure fixe sous 30 Hz et coupure haute de 50 Hz à 300 Hz selon la position de P1.

Reste le filtre passe haut dont la fréquence de coupure doit être la même que celle du passe bas F1 pour éviter un recouvrement entre deux voies ou, au contraire, un creux entre les deux voies. Il faut donc que le filtre passe haut laisse passer toutes les fréquences qui ne sont pas passées dans le passe bas. Pour réaliser cela astucieusement, on peut faire la différence (soustraction) entre le signal avant filtrage passe bas et le même signal après filtrage passe bas.

Lorsque le filtre passe bas laisse passer le signal, cette différence est nulle. Lorsque le filtre passe bas bloque le signal, la différence est alors égale au signal. Pour réaliser cette soustraction mathématique, on utilise le montage amplificateur différentiel (encadré gris) qui réalise l'opération astucieuse :

sortie = signal avant filtrage passe bas - signal après filtrage passe bas

L'astuce du filtre actif consiste donc en ce schéma :

Schéma du filtre actif passe haut : suppression des basses fréquences au signal qui contient tout

Il en résulte que la sortie de l'amplification différentiel est un filtre passe haut. On y retrouve les fréquences qui ont été bloquées par le filtre passe bas F1. C'est cela l'astuce pour aiguiller les fréquences sans en perdre ni en trouver sur les deux voies !

Note : on peut réaliser facilement un filtre actif passe bas d'ordre 2 avec un potentiomètre double (stéréo) dans une structure Sallen Key, alors qu'il n'est pas possible de réaliser un filtre passe haut d'ordre 2 avec un potentiomètre double si on souhaite un amortissement de l'ordre de 0,5 à 0,7. En fait, pour faire un passe haut de fréquence réglable, il n'y a pas de solution aussi simple que pour le passe bas.

En pratique, on choisit R5 = R6 = R7 = R8 pour réaliser une soustraction simple dans l'amplificateur différentiel. La valeur de 10 kOhms est arbitraire (on aurait pu choisir 22 k ou 47 k).

Il est possible d'arrêter le schéma à ce niveau là si on ne souhaite qu'un filtre actif 2 voies :

• de 30 Hz (fixe) à 50 Hz ... 300 Hz (ajustable)
• de 50 Hz ... 300 Hz (ajustable) à 20 kHz

La sortie de l'amplificateur différentiel peut constituer la voie des aigus pour un satellite dans un système 2.1 satellite + caisson de basse.

Mais on souhaite ici un filtre actif 4 voies, on utilise cette sortie de l'amplificateur différentiel pour la rediviser en termes de fréquences. On réitère l'opération avec le filtre passe bas F2 (qui donne la sortie 2) et l'amplificateur différentiel qui est à sa droite.

De même pour le filtre F3. Pour mieux lisser la réponse en fréquence de la sortie 3, on a ajouté un filtre simple basé sur R9 et C9. C'est une amélioration supplémentaire qui a été trouvée par essais empiriques sur une simulation LTSpice IV du montage complet.

La voie 4 (la voie des aigus) est issue du dernier amplificateur différentiel basé sur U3b.

Le but du filtre actif est une configuration de sound system de ce genre :

Exemple type de système qui nécessite un filtre actif 4 voies

Les amplis pour les voies 1 et 2 doivent être les plus puissants (il y a davantage de puissance dans les graves que dans les aigus).

Pour une réalisation pratique du filtre actif

Il est recommandé d'insérer en série avec les sorties des amplis op une résistance de 100 Ohms pour éviter d'éventuelles oscillations des amplis à cause de la capacité parasite entre le point chaud et la masse des câbles.

Les amplis peuvent être choisis assez librement. Ici, le choix s'est porté sur le très classique et économique TL072.

L'alimentation est de +/-12 V environ et doit être régulée, surtout sur l'alimentation négative (-Vcc). Si on souhaite vraiment se passer de régulateur de tension (zener + transistor, 7812 ou LM317), on peut faire deux étages de condensateurs séparés par une résistance de 47 Ohms.

Si on souhaite réaliser un seul circuit imprimé alimentation + filtre actif, il faut éviter les ronflettes dues à des passages de courant d'ondulation dans les condensateurs. Le routage de la masse doit faire une séparation entre les pistes de masse où circulent les courants de charge/décharge dans les condensateurs d'alimentation et la masse audio. On peut bien évidemment réaliser deux cartes différentes.

Les potentiomètres de réglage sont des potentiomètres doubles (à 6 broches). La borne correspondant au curseur peut être reliée à une extrémité ou pas. Il vaut mieux choisir des potentiomètres linéaires pour une meilleure ergonomie (pour éviter qu'un quart de la rotation du potentiomètre fasse déjà presque toute la variation).

Ci dessous, le lien vers la réalisation du filtre actif 4 voies :

Réalisation du filtre actif à 4 voies

Mot de la fin

Ce filtre actif 4 voies est idéal pour une sono de grande puissance (4 amplis séparés pour un système mono). On peut en décliner des variantes avec seulement deux voies ou trois voies.

Si on souhaite réaliser un système stéréo, il faut dupliquer le montage. Cependant les basses ne sont pas stéréo et une sortie mono de table de mixage suffira pour les caissons de gauche et les caissons de droite.