VU-mètre stéréo & détection d’écrêtage
Projet publié dans Electronique Pratique n329 de juillet–août 2008 sous le titre: ‘’Vumètre stéréo & Détecteur d’écrêtage’’
Si le VU-mètre – Volume Unit – qui équipe la plupart des appareils audio permet de visualiser la modulation, il est souvent pris en défaut lors des passages transitoires. Il suffit d’un coup de cymbale inattendu pour exiger de l’amplificateur plus qu’il ne peut donner, ce qui se traduit par l’écrêtage du signal et une désagréable distorsion.
Cette réalisation associe au VU-mètre un circuit de détection d’écrêtage fort utile en cas d’utilisation d’amplificateurs de faible et moyenne puissance ou en sonorisation.
Quelques notions de dynamique
Définition: La dynamique est l'écart qui sépare le plus faible niveau sonore perceptible au-dessus du bruit de fond du système, et le son le plus intense qui ne soit pas affecté de distorsion.
Le son que nous percevons au niveau de l’oreille est le résultat d’une variation instantanée de la pression atmosphérique. Ce différentiel de pression peut atteindre des amplitudes considérables. La pression acoustique, mesurée en ‘’Pascal’’ correspondant à la plus petite pression à laquelle l'oreille humaine est sensible, vaut : P0 = 0,00002 ou 2.10 − 5 Pa . A l'opposé, le seuil de la douleur correspond à une pression Pmax de 20 Pa. Vu la grande différence (facteur 106) entre ces deux extrémités, il est difficile de se représenter le niveau d'un son sur une échelle linéaire, on passe alors à une définition logarithmique (Source: Brüel & Kjaer).
La dynamique originelle d’un orchestre de musique classique s’étend largement sur plus de 100 db. Cette dynamique est compressée au ''mastering''.
La compression du signal est indispensable pour le confort de l’écoute, encore faut-il qu’elle reste dans des limites acceptables.
La dynamique ‘’utile’’ peut varier énormément selon le type de musique et le lieu d’écoute.
La dynamique originelle de la 9ème symphonie de Beethoven ou du Requiem de Berlioz atteint 120 dB.
L’écoute dans un lieu calme comme un salon nous autorise une plage de 50 à 60 dB au maximum, alors qu’une écoute en automobile ou dans un centre commercial ne dépasse guère les 10 dB.
Le but de la compression est de rendre le message musical compréhensible dans le milieu pour lequel il est destiné. Ainsi les stations ‘’jeunes’’ émises en FM destinées à être écoutées dans un environnement bruyant présentent une dynamique de 10 dB tout au plus !
Le cas des CD est assez affligeant : Alors qu’il offre techniquement une dynamique théorique de 96 dB, les maisons d'édition pour des raisons de consumérisme écrasent volontairement la dynamique en deçà des minima auquels on est en droit de s’attendre.
Cette dynamique est réduite à 10 dB pour la musique de variété, pop et rock et à 30 dB en moyenne pour la musique classique et le jazz.
Quelques rares CD ‘’audiophiles’’ respectent une dynamique de 60 dB.
Ces quelques données ne sont pas exhaustives et peuvent varier considérablement au gré des maisons d’édition et de radiodiffusion. Toutefois elle mettent en évidence l’écart entre l’œuvre originale et sa restitution.
Nous prendrons pour notre étude le cas du CD ‘’audiophile’’ avec 60 dB de dynamique.
Nous prendrons pour notre étude le cas du CD ‘’audiophile’’ avec 60 dB de dynamique.
Qui bluffe le VU-mètre ?
Cela signifie qu’entre les pianissimi et les fortissimi, la gamme de puissance peut varier de 100 µWatts à 100 Watts. Le niveau d’écoute normal dans une pièce moyenne de l’ordre de 1 Watt. Mais si on considère les 60 dB nécessaires à la restitution de la dynamique, on doit se demander ou se situe ce Watt dans l’échelle des 60 dB. Dans le cas d’un amplificateur d’une dizaine de Watts, puissance habituelle des ''single end'' à 300B, ce Watt se situe déjà à 50 dB, soit assez proche de la limite d’écrêtage. Il suffira d’un passage ''forte'' pour saturer l’étage de sortie. Cette saturation ne sera probablement pas visualisée par le VU-mètre, en effet l’inertie du mécanisme associée au temps de montée de la détection ne permettra pas de suivre un transitoire. Le VU-mètre ne visualise que la tension moyenne de modulation. Il existe plusieurs normes auxquelles doivent répondre les VU-mètres: la plus usitée est la BS6840 (British Standards) qui dit – en résumé – qu’en présence d’un échelon de tension équivalent à 0 dBVU, l’affichage doit atteindre 99% en 0,3 secondes avec un dépassement maximal de 1,5%.
Cela signifie qu’entre les pianissimi et les fortissimi, la gamme de puissance peut varier de 100 µWatts à 100 Watts. Le niveau d’écoute normal dans une pièce moyenne de l’ordre de 1 Watt. Mais si on considère les 60 dB nécessaires à la restitution de la dynamique, on doit se demander ou se situe ce Watt dans l’échelle des 60 dB. Dans le cas d’un amplificateur d’une dizaine de Watts, puissance habituelle des ''single end'' à 300B, ce Watt se situe déjà à 50 dB, soit assez proche de la limite d’écrêtage. Il suffira d’un passage ''forte'' pour saturer l’étage de sortie. Cette saturation ne sera probablement pas visualisée par le VU-mètre, en effet l’inertie du mécanisme associée au temps de montée de la détection ne permettra pas de suivre un transitoire. Le VU-mètre ne visualise que la tension moyenne de modulation. Il existe plusieurs normes auxquelles doivent répondre les VU-mètres: la plus usitée est la BS6840 (British Standards) qui dit – en résumé – qu’en présence d’un échelon de tension équivalent à 0 dBVU, l’affichage doit atteindre 99% en 0,3 secondes avec un dépassement maximal de 1,5%.
Inutile de préciser qu’avec l’inertie et l’amortissement des mètres bon marché, la norme n’est jamais respectée. Seuls les VU-mètres professionnels en sont capables, mais avec un prix rédhibitoire pour l’amateur. Les VU-mètres électroniques ''bargraph'' ne sont pas limités par la contrainte mécanique, mais bien par le temps de montée du circuit de détection. Et l’hypothétique détection d’un transitoire ne sera visualisée qu’un court instant et voire passera inaperçue.
L’écrêtage ou saturation de l’amplificateur
Que se passe-t-il en pratique ? Tant que le signal musical est restitué dans la partie linéaire de l’étage de sortie, le taux de distorsion reste faible. En présence d’un transitoire, l’étage «driver» tente de suivre la modulation et pilote l’étage de sortie hors de la zone linéaire, voire hors de la limite maximale fixée par la tension d’alimentation. Cela se traduit par une discontinuité brutale du signal de sortie et la génération d’un peigne d’harmoniques. Fort heureusement, l’écrêtage des étages de sortie à tubes et spécialement celui des «single end» se produit de manière assez douce. C’est une forme de compression qui donne l’impression d’une puissance apparente plus importante, à l’inverse du push-pull à transistors (figure 2).
D’un point de vue physiologique, on a établi que la distorsion d’écrêtage devient audible si elle dépasse une durée de 20 millisecondes (source: Note d’application 385 de Bruel & Kjaer – Mai 1992 ).
LE SCHEMA
Le signal d’entrée est pris à la sortie de l’amplificateur. Il est mis à niveau par le pont diviseur R1-P1 et le potentiomètre P1. Un premier étage de gain unitaire limite les fréquences supérieures à 40 kHz. Il met en œuvre un filtre de type Butterworth du 2ème ordre. Cet étage est optionnel et peut être ponté pour attaquer directement IC2. L’AOP IC2 amplifie le signal d’un facteur 2 et IC3 inverse ce même signal. En redressant les sorties des deux AOP, on obtient un redressement à double alternance. Les diodes D1 & D2 redressent le signal et pilotent IC4 configuré en comparateur. Le seuil de comparaison est fixé à +11,4 Vdc. En dessous du seuil, la sortie de IC4 est négative. Au croisement de la tension de seuil, la sortie de IC4 devient positive et déclenche IC6 un 4047 configuré en monostable. Le temps de réaction de ces circuits est de l’ordre de
1 µsec. Avec une valeur de 22 kΩ pour R16 et 22 µF pour C6, la sortie du monostable reste haute pendant
1 seconde. Ce temps peut être modifié en changeant la valeur de R16 ou de C6. Cette tension pilote une LED à forte intensité située sur la face avant sous le VU-mètre. Les diodes D4 & D5 redressent le même signal et pilotent IC5 et le VU-mètre.
La capacité C7 se charge rapidement via la résistance R18 de 1 kΩ pour se décharger lentement via la résistance R20 de 10 MΩ. La constante de temps de charge de 50 µSec permet de visualiser les pointes de puissance et la constante de temps de décharge de 1 Sec de conserver la valeur pour pouvoir être lue.
L’affichage de la valeur maximale au VU-mètre est fixé pour une tension de +11,4 Vdc en sortie de IC5 par la résistance R21 de 62 kΩ pour le SIFAM AL39. Le choix d’un autre mètre nécessitera probablement une autre valeur de résistance R21.
Le choix de R1 et le réglage de P1 est déterminé par la puissance à visualiser. Puisque le seuil de déclenchement est fixé à +11,4 Vdc, cela signifie qu’il sera franchi si le signal aux sorties de IC2 et IC3 dépasse 8,5 Vac ou 4,25 Vac en entrée de IC2.
Avec un pontage en R1 et P1 au maximum, un signal de 4,25 Vac déclenchera le comparateur. Le réglage de P1 permettra de fixer le déclenchement entre 4,25 Vac et 16 Vac, soit entre 2,2 Watts et 32 Watts sous 8 Ω.
Une résistance de 30 kΩ en R1 fixera le déclenchement entre 12,7 Vac et 48 Vac, soit entre 20 Watts et 300 Watts. Les AOP utilisés en IC1 à IC4 sont des OPA604, mais peuvent être remplacés par les LF356 ou les TL071 sans dégradation du fonctionnement.
La résistance R22
Le point froid de l’ampli est raccordé à la masse du circuit par une résistance de 100 Ω. Il s’agit d’une protection des étages de sortie des amplificateurs. En cas d’inversion des fils de raccordement, les résistances de 2 Watts encaisseront provisoirement l’erreur de manipulation. De même certains amplificateurs de forte puissance sont composés de deux amplificateurs fonctionnant en opposition et dans ce cas, il n’y a pas de point froid ! En cas de raccordement direct au bornier, ce sont les résistances qui accuseront le coup.
Pour ce type d’amplificateur, la solution sera de prendre un des deux plots du bornier HP comme point chaud et la masse de l’ampli comme point froid.
L’alimentation
Après redressement des 2 x 22 Vac, on obtient une tension de + et - 35 Vdc. Deux régulateurs 7818 et 7918 stabilisent les tensions à + et – 18 Vdc. La tension de +12 Vdc des monostables est obtenue par un 78L12.
MISE EN OEUVRE
Le VU-mètre est placé dans un châssis 254 x 152 de 51mm de profondeur. Le modèle utilisé est disponible chez Hammond et porte la référence 1441-16BK3. La carte est fixée par 4 entretoises de 10 mm au milieu du châssis (photo 2). La face avant supporte les deux VU-mètres et Led’s. Le côté droit reçoit le socle secteur, le socle fusible, le switch de mise en fonction, le bornier de raccordement et le transformateur d’alimentation.
Le châssis est fermé par une grille ajourée.
Le circuit imprimé
Typon à l’échelle 1
La carte ampli mesure 100 x 145 mm (photo 5 – figure 5). On placera dans l’ordre : les 13 picots de 1,3 mm, les 24 pontages et les 12 supports d’IC. Suivront les composants par ordre de taille. On testera d’abord l’alimentation en augmentant progressivement la tension jusqu’à obtenir 35V aux bornes des condensateurs tampon.
La carte non équipée des IC sera mise sous tension et on vérifiera la présence des + et – 18 Vdc aux broches 4 et 7 de chaque circuit intégré et du +12Vdc en broche 14 des IC6. Ensuite après déchargement de l’alimentation, nous insèrerons les circuits et vérifierons après mise sous tension que chaque sortie de IC1, IC2, IC3 et IC5 en broche 6 est bien à zéro Volt. En sortie de IC4, nous lisons –17Vdc.
Au montage final, le raccordement des divers fils aux éléments des faces avant et latérales est réalisé suivant le schéma et vérifié méticuleusement avant mise sous tension.
Réglage et mesures
P1 est l’unique composant à ajuster en fonction de l’installation audio. Le plus simple est évidemment de tester l’amplificateur sur une charge fictive équivalent à celle des enceintes en visualisant le signal à l’oscilloscope. Le réglage de P1 se fait pour un déclenchement à 1 dB du seuil de saturation.
Sans matériel, il ne reste qu’à faire confiance aux spécifications publiées. Ainsi un amplificateur spécifié à 32 Watts sous 8 Ω génèrera une tension de 16 Vac. On diminuera la tension de 11 % (-1 dB) soit 14,3 Vac qu’on injectera à l’entrée. Dans ce cas, R1 est un pontage et P1 est ajusté pour obtenir une tension fluctuant entre le négatif et le positif en sortie de IC4 au point de test « TP ».
La bande passante du détecteur couvre de 10 Hz à 32 kHz à -1 dB avec le filtre en tête de circuit.
Caractéristiques techniques du prototype
Liste des composants
Conclusion
Ce VU-mètre associé au détecteur de crête complètera l’installation audio. Il fournira une indication correcte de la modulation et des risques de saturation. Il est d’ailleurs assez étonnant de constater son déclenchement pour des pointes transitoires – contrôlées sur oscilloscope – qui échappent au mètre … et à notre oreille.
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Récapitulatif des photos (Haute définition)
