Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

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Syrius
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Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 06 Août 2017, 03:15

Quelle puissance d'amplification et quelle efficacité d'enceintes ?

Qui ne s'est jamais posé, lors du choix d'un ampli et/ou d'enceintes, la question de la puissance nécessaire pour notre installation dans notre pièce ?
Pour y répondre de manière objective il y a des calculs.
Dans l'absolu, pour le faire de manière juste et précise il faudrais procéder à quelques mesures dans le local.
Alors pour mettre les choses au clair dès le départ, je ne suis pas expert en acoustique et ce que je vais vous présenter est un condensé de mes recherches sur le net et donc de mes lectures.

Pour commencer il faut quelques notions sur les paramètres de nos ampli et enceintes :

Impédance :
C'est le résistance au passage électrique d'un élément soumis à un courant alternatif.
L'impedance varie avec la fréquence.
Par exemple une enceinte recevant le signal d'un ampli. Le courant émis par l'ampli est une succession de signaux sinusoïdales électriques traduisant l'onde sonore (sa fréquence et son amplitude)
Donc l'impedance d'une enceinte n'est pas la même à 20 hz qu'à 20000 hz.

L'impédance tout comme la résistance, mieux connue, s'exprime en ohm (Ω).
Normalement, l'impédance d'une enceinte est donnée pour une fréquence de 1000 hz.

Efficacité :
C'est la capacité d'un haut-parleur ou d'une enceinte à produire une pression acoustique pour une tension de 2,83 V.
Cette efficacité est mesurée à 1 mètre de l'enceinte ou du HP et s'exprime en dB.
Donc l'unité exacte est dB/2,83 V/1 m.

Pour une enceinte de 8 ohms, ces 2,83 V produisent une puissance électrique de 1 watt.
Il est souvent écrit dans les caractéristiques des enceintes une valeur en dB/1 W/1 m. C'est un racourci pas toujours juste, toutes les enceintes ne font pas 8 ohms.

La puissance (P en watt) se calcul par la division de la tension (U en Volt) au carré sur la résistance (R en ohm).
Dans notre cas nous n'avons pas une résistance mais une impédance (Z), mais ça ne change pas la formule. Donc :

Pour une enceinte d’une impédance de 8 ohms :

P = U² ÷ Z
P = 2,83² ÷ 8
P = 1 W

Pour une enceinte d’une impédance de 6 ohms :

P = 2,83² ÷ 6
P = 1,335 W


Et pour une enceinte d’une impédance de 4 ohms :

P = 2,83² ÷ 4
P = 2,002 W

Donc quand l'efficacité est donnée en dB/1 W/1 m pour une enceinte de 6 ou 4 ohms, on a une incohérence.
Soit la tension appliquée a été ajustée pour avoir 1 watt sous l'impédance de l'enceinte, soit c'est la fréquence utilisée qui est ajustée pour avoir une impédance de 8 ohms.


Puissance d’une enceinte :

La puissance en watt indiquée pour une enceinte correspond à la puissance qu’elle peut recevoir d’un amplificateur.
Il y a la puissance nominal (en continue) et en crête (pointe momentanée).

La puissance acoustique produite par un haut parleur ou une enceinte s'exprime en dB SPL.
Voir définition Wikipedia

Logiquement, avec les données d’efficacité et de puissance admissible, on doit pouvoir calculer la pression acoustique maxi en dB SPL que l’enceinte peut produire (SPL Max).

Par exemple une enceinte d’efficacité de 90 dB/2,83 V/1 m ayant une impédance de 8 ohms et acceptant une puissance de 100 watts en continue :

Elle produit donc 90 dB pour 1 w à 1 m.

La formule pour le calculer est :

Efficacité + 10 × log( puissance admissible )

Donc : 90 + 10 × log(100) = 110 dB à 1 m

Si cette même enceinte peut supporter une puissance en crête de 200 W, alors le SPL Max en crête est de : 90 + 10 × log(200) = 113.1 dB à 1 m

Pour calculer la puissance nécessaire à une enceinte donné pour reproduire un son à une certaine pression acoustique, il nous faut connaitre l'efficacité de cette enceinte et son impédance, mais aussi la distance entre l'enceinte et le point d'écoute.

En champs libre, c'est à dire sans aucune parois autour de l'enceinte ou dans une pièce absorbant totalement les sons réfléchis (Chambre anéchoïque), l'affaiblissement par doublement de la distance est de -6dB.

En champs réverbéré (local fermé) où les ondes sont réfléchis par les parois, l’affaiblissement par doublement de la distance est de -6 dB jusqu’à la distance critique.

La distance critique est une caractéristique propre au local et à son aménagement.
Elle indique le point, la distance, séparant l’enceinte de l’endroit où les pressions acoustiques du champs direct (les sons venant directement de l’enceinte) et du champs réverbéré (les sons réfléchis par les parois) sont équivalents.
Avant cette distance, on entend principalement le champs direct et après cette distance on entend principalement le champs réverbéré.

Pour calculer cette distance il faut considérer les dimensions du local et mesurer le RT60.
Le RT60 est le temps nécessaire, après coupure de l’émission du son, pour que les réflexions sonores s’affaiblissent de 60 dB. Soit le temps qu’il faut pour ne plus les entendre.

A savoir, pour augmenter la pression acoustique de 3 dB il faut doubler la puissance d’amplification.

Calcul de la puissance d’amplification nécessaire pour une enceinte donnée:

Prenons par exemple une enceinte d’impédance de 8 ohms ayant une efficacité de 90 dB/2,83 V/1m  écoutée à 4 m et dans un local où la distance critique est de 2 m :

Nous avons donc un affaiblissement du niveau acoustique de 6 dB par doublement de la distance jusqu’à la distance critique qui est pour cet exemple de 2m .

Nous aurons -6 dB à 2 m puis 0 dB au-delà.

Notre enceinte produit 90 dB à 1 m pour 1 W consommé.

Le niveau maxi des bandes son des films est de 105 dB. On veut donc pouvoir reproduire ces 105 dB au point d’écoute.

Donc pour atteindre ces 105 dB à 1 m en partant de l'efficacité de l'enceinte de 90 dB à 1 m, il faut une augmentation de 15 dB.
Pour avoir ces 105 dB au point d’écoute il faut produire 6 dB de plus (affaiblissement dans le cas de cet exemple) :

(105 + 6) - 90 = 21 dB

Pour rappel, il faut doubler la puissance d’amplification pour augmenter la pression acoustique de 3 dB.

Nous devons produire une pression de 21 dB soit 7 x 3 dB.
Donc doubler 7 fois la puissance initiale qui est de 1 w pour 90 dB, soit :

Puissance initiale × nombre de fois du doublement de la puissance = puissance à fournir en Watt :

Pour exprimer le nombre de fois du doublement de puissance il faut écrire 2 à la puissance du nombre de fois soit 2^nombre.

Donc pour notre exemple :

1 x 2^7 = 128 W

Pour calculer tout ceci directement il y a ces formules :

Affaiblissement en dB :

(6 ÷ log(2)) x log(d)

d= Distance critique si inferieur à la distance d’écoute sinon distance d’écoute.

Pression acoustique du niveau cible (Nc) à obtenir au point d’écoute :

Nc = Pression de référence + affaiblissement

Puissance d’amplification nécessaire :

P = 10 puissance ((Nc - Efficacité enceinte) ÷ 10)
P = 10^((Nc - Efficacité enceinte) ÷ 10)

Donc en reprenant notre exemple :

Affaiblissement = (6 ÷ log(2)) x log(2) = 6 dB

Nc = 105+6 = 111 dB

P= 10^((111 - 90) ÷ 10) = 10^(21 ÷ 10) = 10^2.1 = 125.9 W

On voit qu’il y a une différence entre les résultats des deux façons de calculer.
Cette différence vient du coefficient de multiplication de la puissance pour une augmentation de 3 dB.

Dans le 1er mode de calcul il est considéré un doublement de la puissance pour une augmentation de 3 dB. Hors la valeur exacte est :

P = 10^(3 ÷ 10) = 10^0.3 = 1.99526 W

Ce n’est donc qu’un arrondi. Ceci dit la différence est mineur.


Maintenant si notre enceinte à une impédance de 6 ohms au lieu de 8 mais toujours une efficacité de 90 dB/2,83 V/1 m, elle absorbe 1,335 w pour ces 90 dB à 1 m.
Donc la puissance nécessaire n’est plus de 125,9 ou 128 w mais multiplié par 1.335 soit 168 ou 170,9 W

Si on avait la même enceinte mais en 4 ohms, elle absorberait 2,002 w pour 90 dB/1 m, donc la puissance nécessaire serait de 125,9 x 2.002 = 252 w ou 128 x 2,002 = 256 w.

Calcul de l’efficacité minimum d’une enceinte pour produire le niveau acoustique souhaité pour un amplificateur donné :

Restons sur le niveau maxi des bandes son des films, soit 105 dB.
Prenons un ampli fournissant 50 W par canal sous 8 ohms et que l’on veut brancher une enceinte par canal.
Nous sommes toujours dans le même local donc avec un affaiblissement de 6 dB.
Le niveau cible est donc de 105 + 6 = 111 dB

Il faut partir de la formule de calcul de puissance :

P = 10^((Nc - Efficacité enceinte) ÷ 10)
Soit :
10^((111 - x) ÷ 10) = 50 W

Donc :
((111 - x) ÷ 10) = log(50)
((111 - x) ÷ 10) = 1,699
111 - x = 1,699 × 10
111 - x = 16,99
x = 111 - 16,99
x = 94,01

Il nous faut donc une enceinte ayant une efficacité de 94 dB/2,83 V/1m avec une impédance de 8 ohms.

Bon tout ça c’est bien mais comment fait-on si on ne connait pas la distance critique du local ?

J’ai lu sur le forum CINETIPS que l’on pouvait admettre une approximation pour l’affaiblissement dans des locaux de faible dimension comme nos pièces d’habitation de 3 dB par doublement de la distance sans considérer de distance critique.

Donc dans notre exemple, le point d’écoute est à 4 m.

Soit un affaiblissement de 6 dB :

Affaiblissement = (3 ÷ log(2)) × log(4) = 6 dB

On retrouve le même affaiblissement.

Regardons ce que ça donne si le point d’écoute est de 3,5 m :

(3 ÷ log(2)) × log(3,5) = 5.422 dB

Et pour 5 m :

(3 ÷ log(2)) × log(5) = 6.966 dB

Si on a une distance critique non pas de 2 m mais de 1,8 m, on aurait un affaiblissement de :

(6 ÷ log(2)) × log(1,8) = 5.088

On constate que l’on tourne autour des 6 dB d’affaiblissement, on est pas si mal.

Donc si vous ne pouvez pas faire les mesures ou les faire faire pour connaitre la distance critique, cette approximation permet d’avoir une idée de la puissance nécessaire pour une enceinte donnée ou quelle efficacité doit avoir une enceinte pour un ampli donné.

Il est aussi possible de réduire la pression acoustique nécessaire pour atteindre la cible en rajoutant des enceintes sur d’autres canaux d’amplification.
Par exemple en stéréo il est considéré que les canaux gauche et droits diffuse le même son donc on augmente la pression acoustique.
Lorsque que l’on double le nombre d’enceinte on augmente la pression acoustique de 3 dB.

Formule pour calculer le niveau acoustique obtenu en plus en fonction du nombre d’enceintes :

10 × log(Nombre d’enceintes)

Donc pour 2 enceintes : 10 x log(2) = 3.01 dB

Voyons pour 3 enceintes : 10 x log(3) = 4.77 dB

Et pour 4 enceintes : 10 x log(4) = 6.02 dB

Je préfère calculer en ne prenant en compte qu’une seul enceinte car qui peut le plus peut le moins et même en musique stéréo, il y a aussi des sons différents entre le canal gauche et droit.

Il y a un élément qui n’est pas pris en compte dans ces calculs, c’est la compression thermique.
La compression thermique est l’affaiblissement de l’efficacité des haut-parleurs dû à l’échauffement, ce qui entraine une augmentation de l’impédance donc une diminution de la puissance absorbée. Plus la puissance absorbée diminue, plus il faut envoyer de puissance.
C’est le serpent qui se mord la queue.
Plus une enceinte est sollicitée, plus elle s’échauffe. Cette échauffement est surtout constaté à forte puissance et sur de longues périodes. Un pic de puissance n’est pas suffissament long pour provoquer cet échauffement.
La perte engendré par la compression thermique peut atteindre 6 dB voire plus.
C’est surtout les HP de graves qui sont touchés.

On peut donc comprendre l’avantage d’avoir des enceintes avec une efficacité suffisamment élevée pour produire le niveau souhaité sans être dans la fourchette haute de sa puissance admissible.

Voici un fichier Excel pour calculer tous cela automatiquement :

Puissance systeme HC-v1.02.xlsx


Si vous avez des remarques, corrections et/ou précisions à apporter, des questions, n'hesitez pas.
Comme je l'ai dit au début, je ne suis pas un expert en acoustique. :wink:
Vous ne pouvez pas consulter les fichiers insérés à ce message.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Kildaros » 08 Août 2017, 13:51

Salut Syrius,

En lisant ton post, je me rends compte maintenant pourquoi je tournais en rond pour essayer de calculer tout ça en cherchant des infos sur le net.

En tout cas, c'est clair et compréhensif :yes:

J'ai pu faire mes petits calculs :headb2:
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 08 Août 2017, 14:28

Merci Kildaros.
Ça me fait plaisir que ce soit clair et que ça puisse aider.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar gregdewey » 08 Août 2017, 17:26

Ouf super article! Rien à dire sur le sujet mais nul doute que ça en aidera plus d'un à l'avenir.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 08 Août 2017, 21:44

Merci gregdewey.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 08 Mars 2019, 20:37

Salut !

J'ai ajouter à la fin du post initial un fichier Excel pour calculer tous cela automatiquement. :wink:
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 09 Mars 2019, 00:21

Il y a une erreur dans la formule sur toutes les lignes après la 1ère dans l'atténuation.
Je corrige demain.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 09 Mars 2019, 14:07

Voilà, le fichier Excel est corrigé.
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Syrius » 17 Mai 2019, 00:05

Salut,

J'ai corrigé quelques erreurs de formules au fichier de calcul. Rien de bien méchant mais qui généraient un résultat = 0 là où ça ne devait pas.
Et aussi une correction de la protection qui masquait les deux autres feuilles de calcul du classeur.
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Chamfort
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Re: Quelle puissance d'ampli et quelle efficacité d'enceinte ?

Messagepar Chamfort » 23 Août 2020, 09:11

Bonjour
68 ans, bricolo lourd (réfection totale d'une maison). Sans aucune connaissance électronique ni mathématique, j'aborde le DIY HiFi par ce qui m'est techniquement et financièrement possible : les caisses d'enceintes et la structure de la chaîne.

Depuis mon 1er système en 1973 (Lenco/Sansui/Kef) j'ai eu des bons trucs (Marantz, JBL L26, double mono tube Dynaco, Garrard +SME...) et, avec un vieux pote dans le très haut de gamme (il teste des machins à 100 000 euros et +) j'ai exploré une idée hérétique : comment améliorer 200% un système de base (i.e. à - 1 000 euros) sans rien connaître en électronique ni en bancs-test. Dans "la Revue de l'Audiophile" (intégral en PDF) j'ai trouvé des idées à-part au hasard d'articles hyper-pro électroniques où je ne comprenais rien. J'ai donc travaillé uniquement sur la conception/ matériaux des enceintes et la structure de la Chaîne.

=> LES ENCEINTES ET LES CAISSES ! qqs idées de base
* faire le moins vibrant possible
* séparer les caissons HP
* accorder en phase
* diminuer les altérations : filtres électroniques passifs, ondes stationnaires, effets baffles, effet caissons

1ers tests : la rigidité,
* des baffles d'Artisan (Fontaine, genre JMR) > contre-caisse sablée = ça envoie nettement mieux.
* les HP (kit Focal) maçonnés dans une biblio/mur = houla !

2èmes : les caissons séparés : les mêmes Kit Focal dans des TUBES BETON (pour égout), inspirés des colonnes Charlin, musts du vintage.
* Basses : 1 tube vertical 100x25,
* Médium : suspendu dessus un tube horizontal de 30x25,
* Tweeter : sur petite potence sur le tube médium.

Alors là !!!!! plein les ouïes ! sans rien changer aux matos électro, sans aucun test ni mesure, j'avais une chaine bien meilleure, comme passer de la 208 à la Mercédès E pour le même prix. J'ai vu cette config colonne en HiFi haut-de-gamme actuelle vendue la peau des... genoux alors que ça m'avait couté 20 euros de tubes. Il est évident que les fabricants et revendeurs ne peuvent proposer cette conception : fabriquer/transporter/ vendre des tubes bétons est impossible, la menuiserie est plus facile, au besoin on renforce les parois et on fait des jolis placages ce qui renforce le prix. Les frappadingues qui ont construit des enceintes bétons dans leur auditorium me comprendront.

=> ASSURER LA PUISSANCE.
La puissance-ampli est une des clés majeures, ceux qui sont passés d'un BMW 315 à une 330 me comprendront là aussi. En 2 ans j'ai constitué un système en baguenaudant sur Leboncoin à la recherche (et à la revente) de vintages.

3 principes :
- le matos de 1960 à 80 va de bon à excellent par la qualité des composantes (alim, transistors, condos) et des conceptions.
- Moyennant qq fois toilettages (nettoyage, condos) et là, miracle ! j'ai un Ingénieur HiFi classieux à 11 bornes.
- Plus il y a d'Alim, mieux c'est, donc j'ai cherché les éléments séparés avec chacun son alimentation (1 PréAmp + plusieurs Amps).

J'ai acheté/revendu SANS ECOUTER NI COMPARER, trouvant des bons matos de base (NAD 314 + Missions biblio) puis des meilleurs (NAD 320BEE + Missions M74) puis des meilleurs-meilleurs pour arriver à la TRI-PHONIE (mon 1er choc d'écoute en 1975)

Chaîne actuelle :
CD Nakamishi OMS-1E - ils avaient fait des supers lecteurs K7, j'ai préjugé pareil en CD
Préamp : Hawk MPA 7 - très rare chaîne Midi de 1988 - l'ingénieur a trouvé "très élégante" la conception des circuits et la qualité des composants.
Amp 1 Tweeter : Hawk MA7, 2x70 W, 11kg, qualité idem
Amp 2 Médium : Harman-Kardon HK 770, 2x70 W double mono
Caisson Basse : Yamaha YST-SW 320, 70 W
Enceintes : KLIPSH RF 62 waou les tweeters à compression/pavillon. Double entrée nécessaire pour la double alim
Cables : fil téléphone/DSL ça passe bien internet alors prq pas l'Audio

Prix
CD 120 E
HAWKs 200 E
HK 240 E
CAISSON 70 E
Klipsh 300 E
Cable 10 E

TOTAL 940 E

Aucun test ni mesures, mais quel son !!!! Tous ceux qui écoutent en restent babas, moi et ma femme les premiers. Il y a certainement mieux mais hors de (mes) prix et de mes compétences. Ca envoie tous les genres, du Grégorien à Nirvana en passant par Coltrane, Beethoven, les Messes/ Choeurs ou Artic-Monkeys. Dans tous les cas : LA BAFFE ! aussi bien en niveau audiophile que discothèque (les souris de la cave ont protesté), c'est génial de ne pas avoir de voisins !

J'ai idée de passer en Baffle-Plan (lire le bouquin de Briggs, 1963, le fondateur de Wharfedale) en dépiautant mes Klipsch.
- Médium : demi-cylindre en "Placo d'Architecte" (un BA13 + lourd/rigide, Leroy-Merlin) pour éviter l'effet baffle + effet de bord + ondes stationnaires
- tweeter séparé à pavillon lesté ciment.
- pas de filtre passif sauf condo pour tweeter et alim directe des média (pluriel de médium)
- cables optimisés à partir de fil téléphone (test de l'Audiophile des années 80)

J'aimerais bien tester un Pré-Amp PASSIF, les Actifs n'étant obligatoires qu'à cause du faible niveau de sortie des Cellules disques, les CD sortent plus haut. Mais là, sorte d'ésotérisme idiophile, on ne trouve que des boitiers à 1 000 d'Euros et plus qui ont juste trois condos, deux potars et un sélecteur d'entrée : "non merci !"

En résumé, le matos de qualité peut aller très très loin sans y laisser sa chemise ni rien y connaître. Améliorer de 200% est possible immédiatement SANS FRAIS, ensuite il y a les optimisations à 20/10/5 % ou moins : tests et mesures, Filtre Actif, Tube ou Transistor, tel ampli classe D plutôt que tel classe AB, telle enceinte sur tel ampli, tel cable en vibrure de géranium, telle self en potasse lyophilisée bio, tel HP à Qts micronisé... mais là il faut s'y connaître, bcp tester... et payer !
Merci pour votre attention.


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