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Decibels

amplification - dB relatif & absolu - la puissance - enceintes - tableau recapitulatif
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Introduction

Avec cette fiche, je veux essayer de lever un peu le voile du mystère qui plane sur les histoires des décibels (dB), de watt (W), et de la puissance.
Accrochez vous, c’est parti pour un tour de physique appliqué !

L’AMPLIFICATION

L’amplificateur sert, comme son nom l’indique à amplifier un signal donné. Grace à un enchaînement d’amplis, on peut donc faire en sorte que le chuchotement dans un micro sorte comme un tonnerre de dieu d’une enceinte de sono.
Imaginez donc : le chuchotement en question fait bouger la petite membrane d’un micro, lequel transformera ces mouvements en tension (environ 1/30ième de volt) ; ensuite ces quelques millivolts sont envoyés dans un pré-ampli (ex. console) et à sa sortie on récupère ce qu’on appelle un signal ligne (entre 1 et 2 volts). Ce signal attaquera ensuite un ampli de puissance (admettons de 1000 watt/ 4ohms). À sa sortie, on pourra ensuite mesurer environ 63 volts, ce qui suffira bien, pour faire bouger la membrane de votre enceinte de manière à ameuter le quartier.
Bien entendu rien ne se passe si on essaie de brancher l’enceinte sur le préamp (sinon un triste chuchotement) ou si vous branchez le micro dans l’ampli de puissance !!
En calculant le facteur d’amplification A de cette chaîne, on obtient :
Tension Us (sortie) divisée par Tension Ue (entrée) : A = 63 : 0,03 = 2100 !

Je veux pousser encore un peu plus loin ! Un ampli de 2 kilowatts sous 8 ohms délivre une tension de plus de 120 volts à sa sortie ! En partant d’un très faible signal de départ capté par exemple avec un micro statique qui envoie environ 1/100 ième de volt vers le preamp, le facteur d’amplification s’élève à 12000.
Pour justement éviter les calculs trop compliqués avec des différences de valeurs trop importantes (ici : Ue = 0,01 V et Us = 120 V), on a introduit le DECIBEL comme unité de mesure et de calcul.

Le décibel est une unité logarithmique et se calcule comme suit :
A est notre facteur d’amplification d’en haut, c’est-à-dire :
A égale tension sortie (Us) divisée par tension entrée (Ue)
Traduit en logarithmique cela donne : a (dB) = 20 x log (A)
a : facteur d’amplification en décibel
log : logarithme à la base 10
Pour nos deux exemple, on obtient donc :
1. A = 2100 => a = 20 log (2100) => a = 66,4 dB
2. A = 12000 => a= 20 log (12000) => a = 81,6 dB

Comme vous le voyez, ces chiffres sont déjà beaucoup plus digestes et en étant passé en logarithmique, on a encore un deuxième avantage : on peut facilement additionner les facteurs d’amplification d’une chaîne audio.

Prenons l’exemple 1.
Le préamp amplifie 33,3 fois : A1 = 1 V : 0,03 V = 33,33
L’ampli de puissance 63 fois : A2 = 63 V : 1 V = 63
Pour obtenir l’amplification totale : A = A1 x A2 = 2100
Calculons maintenant en logarithmique (décibel)
Le préamp : a1 = 20 log(A1) = 30,4 dB
L’ampli de puissance : a2 = 20 log(A2) = 36 dB
L’amplification totale : a = a1 + a2 = 66,4 dB
Vous voyez que c’est beaucoup plus simple comme ça ; une fois qu’on a adopté le bon système.
Et n’ayez pas peur de devoir toujours avoir votre calculatrice (avec fonction logarithmique) sur vous. En sonorisation, tous les fabricants ont adopté le système logarithmique aujourd’hui.
On peut donc résumer ceci : 6 décibels correspondent à un facteur d’amplification de 2 !, ce qui nous donne le tableau suivant :

Concrètement cela veut dire,que, si vous entrez 1 volt dans un ampli qui a un gain d’amplification de 26 dB, vous obtenez 20 Volts à sa sortie ou dans l’autre sens, si vous baissez le fader de votre console de 10 dB, la tension initiale tombera de plus de deux tiers ! (par exemple : de 1 volt à 310 millivolts)
Les amplis de sono ont généralement un gain d’amplification de 26 à 32 dB, ce qui veut dire qu’ils amplifient la tension d’entrée entre 20 à 40 fois.

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VALEUR RELATIVE et VALEUR ABSOLUE

L’unité décibel est relative et elle exprime seulement la relation entre deux valeurs!
(exemple : A = Us / Ue). Pour arriver à avoir des valeurs concrètes, il faut définir une base de départ, ce qu’on a fait en introduisant les valeurs absolues comme le dBm, le dBu et le dBV.
Les Américains aiment plus travailler avec les dBV (certains fabricants ont introduit le dBv => v minuscule) et les Européens préfèrent les dBu ou les dBm. Quoi qu’il en soit, l’un sert aussi bien que l’autre, tant qu’on ne les confond pas.
Dans les fiches techniques de vos appareils, vous trouverez certainement une de ces valeurs sinon les deux :
0 dBu = 0,775 V ou 0 dBV = 1V
(c’est donc avec ces valeurs respectives, qu’il faut multiplier le facteur d’amplification A, pour obtenir une tension (U) concrète).
Si, dans les spécifications techniques de votre console, vous lisez ceci :

1. MAIN–OUT 4dbu, max. à 26 dBu
2. DIRECT-out 0dBu
3. TAPE-out -10 dBV
4. MIC-in -60 à –20 dBu
5. LINE-in -30 à +10 dBu

Cela veut dire en clair que :

1. Avec un signal à 0 dB sur vos LED de console, vous aurez une tension de 1,23 volts (4dBu) à la sortie main-out et que 15,5 volts (26dBu) est le maximum qu’elle pourra donner (saturation totale !!)
2. À la sortie direct-out, vous aurez une tension de 0,775 volt (signal à 0 dB sur les LED’s)
3. Le même signal n’aura que 0,24 volt sur la sortie tape-out
4. Le préamp peut encaisser des tensions de 1 millivolt à 1/10 ième de volt
5. L’entrée ligne peut prendre en charge des tensions de 0,03 V jusqu’à 3,2 volts

Si, à la place des dBu, les valeurs étaient données en dBV, vous obtiendriez :

1. 4 dBV = 1,6 V et 26 dBV = 20 V
2. 0 dBV = 1 V
3. –10 dBV = 0,31 V
4. etc.

Le niveau professionnel en studio et sono est généralement de 4 dBu (des fois 6 dBu) et le niveau home studio (et Hi-Fi) de –10 dBV, ce qui veut dire qu’en calant votre signal à 0 dB sur votre vu-mètre, vous aurez des tensions différentes selon qu’il s’agisse de matériel pro ou semi-pro !!
C’est assez important pour par exemple pouvoir caler les amplis et les limiteurs d’un système et éviter ainsi des saturations ou des problèmes de souffle etc.
La sensibilité d’entrée des différents amplis est rarement la même d’une marque à l’autre et il faut savoir interpréter les données des spécifications techniques (mode d’emploi).
Les amplis de sono professionnels ont normalement une sensibilité entre 3 et 6 dBu, ce qui veut dire qu’ils ont leur plein rendement (la puissance donnée dans la fiche technique) à 1,4 ou respectivement 2 volts.
Quand, sur une console (qui est calée par exemple à 4 dBu), vous réglez le signal de sortie sur 0 dB sur vos LED’s, vous saturez déjà légèrement l’ampli dans le premier cas tandis qu’il vous reste encore 2 dB de headroom (marge) sans saturation dans le deuxième cas, !

Attention : beaucoup d’amplis de bas de gamme ont une sensibilité très basse (0 à 2 dBu) et vous saturerez à coup sûr, si vous les attaquez avec une console calée à 4 dBu ! et un ampli qui sature constamment détruit tôt ou tard les enceintes !!
Assez souvent, on trouve aussi le cas contraire. On attaque un bon ampli (disons 4 dBu de sensibilité) avec une console home-studio (genre K7-multipiste, généralement calée à –10 dBV). Vous n’aurez donc jamais le son, car pour que l’ampli puisse fonctionner convenablement, il lui faut environ 1 volt !Or, la console calée à –10 dBV sort 0,3 volt à 0dB et il faudra aller jusqu’à 14 dB dans le rouge pour satisfaire l’ampli… saturation assurée !!!

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LA PUISSANCE

On a donc vu qu’une augmentation de 6 dB double la tension et qu’une diminution de 6 dB la réduit à moitié. Pour la puissance (watt) ça n’est pas le même calcul, tout simplement, parce que la puissance est calculée au carré.
La puissance P est égale la tension U au carré divisé par la résistance R :
P = UxU / R
Si on augmente la tension U de 6 dB (doublement), la puissance P sera quadruplée (UxU) !!
Ce qui nous donne le tableau suivant :

Donc, en ce qui concerne la puissance, 3 dB correspondent à un doublement et ainsi de suite.
Ceci veut dire aussi que, si vous baissez vos faders de sortie de 6 dB la tension de sortie tombera à moitié et votre ampli ne rendra qu’un quart de sa puissance d’auparavant !
En passant de 3 dB dans le rouge à la sortie console, la tension n'augmentera que de 0,5 volt (de 4 dBu vous passez à 7 dBu) , mais vous obligerez l’ampli à doubler sa puissance. L’ampli suivra sagement (au moins pour un petit moment), mais vos enceintes n’apprécieront pas ça !!

LOREILLE HUMAINE et le VOLUME SUBJECTIF

Le volume du son (pression acoustique) est lui aussi converti logarithmiquement et chiffré en décibel. (et des fois en phon – une autre valeur logarithmique !)
Physiquement, la pression acoustique est mesurée en PASCAL (ou Newton/m2). La perception dynamique de l’oreille humaine étant immense, l’étendue du son le plus faible encore perceptible jusqu’au son le plus fort va à peu près de 0,00002 Pa à 1500 Pa. Pour éviter l’acrobatie des chiffres, on a converti les pascals en logarithme de la même façon que décrit plus haut en définissant les 0,00002 Pa comme point de départ, donc à 0 dB. On ne trouve pas de valeurs négatives (qui correspondraient à l’inaudible !) pour les mesures de la pression acoustique. Aux alentours de 130, 140 dB, l’oreille commence à rendre l’âme ! Beaucoup de musiciens savent de quoi je parle, sachant qu’un Marshall à donf ou une trompette à quelques centimètres atteignent sans problèmes ces pressions sonores et ça fait mal !
Une conversation normale correspond à environ 60 à 80 dB, un léger bruit de fond fait 40 à 50 dB.
Il faut savoir aussi que subjectivement le volume sonore double tous les 8 à 10 dB, mais ceci dépend aussi de la fréquence, car les médiums (entre de 1 et 4 kHz) sont toujours perçus beaucoup plus fort que les graves et les aigus ; et, moins le volume est fort, plus se creusera cette différence de perception !
Sur les chaînes Hi-Fi par exemple, on trouve le fameux réglage LOUDNESS, qui justement relève les aigus et les basses pour parer à ce déséquilibre à bas volume !

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LES ENCEINTES

Le rendement ou la sensibilité des enceintes et haut-parleurs sont donnés en décibel et là, on parle bien sûr de la pression acoustique !
Vous lisez par exemple : 97 dB 1W / 1M
Ceci veut dire que le rendement est de 97 dB pour 1 watt à 1 mètre de distance !
Pour obtenir maintenant le rendement en pleine puissance (admettons à 400 watts), il suffit d’additionner les dB ;
Si 1 watt = 97 dB => 400 watts = 97 + 26 dB = 123 dB
Ce qu’il faut savoir, c’est que la pression acoustique diminue elle aussi de façon exponentielle par rapport à la distance.
En doublant la distance, le son diminuera de moitié sa pression initiale (il aura donc perdu 6 dB) et ainsi de suite. On utilise de nouveau notre tableau pour le calcul de la pression sonore à une certaine distance.
Pour l’exemple ci-dessus :
Si notre enceinte a un rendement de 123 dB (400 W) à 1 mètre
Elle aura perdu 6 dB à 2 mètres et 12 dB à 4 mètres
À 20 mètres, la pression acoustique ne sera que de 97 dB, soit la valeur de 1 watt à 1 mètre. Et à 100 mètres, il en reste quand même encore 83 dB.
Ceci est bien sûr un peu (très!) théorique (et valable seulement pour le plein air), car la construction de l’enceinte (bass-reflex, chargé de pavillon, etc.), ainsi que les conditions atmosphériques et les diverses réflections (des murs par exemple) jouent un rôle très important pour la diffusion du son.
Pour l’exemple : Une enceinte qui est placée sur le sol dans un coin de la salle, sortira 3 à 5 dB de plus de pression acoustique que sur un pied d’enceinte en milieu de la salle ; ceci est dû aux réflexions diverses des murs et du sol qui s’ajoutent au son brut.
Mais ça permet quand même d’avoir une certaine idée de ce que peut faire (rendre) une chaîne audio.

Récapitulons :

En doublant la puissance (exemple 4 enceintes au lieu de 2) on augmente de 3 dB.
Pour doubler la pression sonore (6dB) il faudra 4 fois plus de puissance.
En doublant la tension sur l’entrée d’un ampli (+6 dB), celui-ci quadruple sa puissance sortie.

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TABLEAU RECAPITULATIF

© Ziggy - Septembre 2002

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