SONO MAG

Mesures de puissance audio
Ce document définit le contexte de la mesure de puissance des amplificateurs et décrit comment
les mesures correspondantes sont réalisées au laboratoire de SONO Mag.
Par Jean-Pierre Landragin, SONO Mag.
1.- EN PRATIQUE
La puissance d’un amplificateur détermine son aptitude à exciter des transducteurs et à fournir le
volume sonore escompté (avec des transducteurs de rendement connus et un environnement
acoustique connu).
Pourquoi mesurer la puissance d’un amplificateur ?
Pour un amplificateur, dans l’absolu, il n’y a pas de “ bon ” ou de “ mauvais ” chiffre de puissance.
L’intérêt de qualifier un amplificateur par la mesure est essentiellement de savoir si le produit est
“ sérieux ” en confrontant le résultat de la mesure avec celui des spécifications fournies par le
constructeur. Il y a lieu, aussi, de vérifier que le taux de distorsion reste “ raisonnable ” lors de
cette mesure (c’est-à-dire inférieure au seuil fixé par la Revue, soit 1 %, ou au-dessous lorsque
l’écrêtage n’est pas symétrique). Cela permet de vérifier la conformité du produit, mais surtout de
mesurer la puissance de tous les amplificateurs dans des conditions identiques. En effet, en
poussant le niveau d’attaque, on peut obtenir une puissance supérieure mais le signal est déformé
(écrêtage, forte distorsion). Tolérer une distorsion plus élevée favoriserait l’amplificateur concerné
d’une manière quelque peu “ déloyale ”...
Association amplis/enceintes
La connaissance de la puissance permet d’associer harmonieusement les amplificateurs et les
transducteurs. Dans la pratique, la puissance fournie en régime permanent à l’enceinte acoustique
doit être suffisante mais ne doit pas excéder celle qu’elle est capable d’encaisser, dans les
conditions réelles d’utilisation.
Régime permanent, régime impulsionnel
Mais les transducteurs peuvent, pendant un court instant, supporter des puissances beaucoup
plus importantes (avec, éventuellement, des distorsions du son plus ou moins désagréables).
Compte tenu de la nature du message sonore (facteur de crête), on peut utiliser des amplificateurs
dont la puissance nominale excède celle des enceintes qu’ils alimentent, à condition de les faire
travailler nettement au-dessous de cette puissance, en se ménageant une réserve de puissance
pour transmettre les crêtes sans distorsion. On notera que certains amplificateurs possèdent une
réserve d’énergie leur permettant, pendant des durées limitées, de fournir (en régime
“ impulsionnel ”) une puissance sensiblement supérieure à leur puissance spécifiée en régime
permanent, sans distorsion.
Puissance insuffisante
Si la puissance de l’amplificateur est insuffisante, les transducteurs ne sont pas utilisés de manière
optimale. Le niveau acoustique est inférieur à celui qu’ont devrait obtenir. Par ailleurs, avec un
amplificateur sous-dimensionné, on a tendance à pousser le volume pour obtenir un niveau sonore
suffisant. Ce faisant, on fait travailler l’amplificateur au-delà de ses limites, avec plusieurs
conséquences :
- Distorsion importante, voire écrêtage du signal, d’où un son désagréable.
- Déclenchement éventuel des sécurités de l’amplificateur, d’où interruptions désagréables et
pénalisantes pour l’exploitation.
- Apparition d’harmoniques de rang élevé et de grande amplitude (conséquence de l’écrêtage),
avec risque de détérioration des transducteurs d’aigus.
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Puissance excessive
On peut penser que le choix d’un amplificateur largement surdimensionné aboutit sans dommage
à un niveau sonore supérieur, et ce, à peu de frais. Cette idée est partiellement fausse dans la
mesure où les transducteurs manifestent un effet de compression : la résistance électrique des
bobines mobile augmente sous l’effet de l’élévation de chaleur due au courant trop important et les
aimants peuvent perdre partiellement de leur aimantation sous l’effet de la chaleur. L’augmentation
du niveau acoustique n’est donc pas proportionnelle au surcroît de puissance électrique fournie
par l’amplificateur. Avec un amplificateur surdimensionné, les risques sont de faire travailler les
transducteurs au-delà de leur zone de linéarité, d’où apparition de distorsions.
Mais surtout, la conséquence à moyen ou long terme est la détérioration des transducteurs :
- détérioration électrique : rupture de bobines sous l’effet de l’échauffement excessif,
- détériorations mécaniques : décollement des bobines, avec frottement dans l’entrefer,
décentrage des bobines, détérioration des membranes (chambres de compression), rupture des
suspensions...
Selon les combinaisons de transducteurs, la rupture d’une bobine peut se traduire par une
puissance appliquée plus importante sur les transducteurs qui restent intacts et leur détérioration
plus rapide. Dans les combinaisons complexes, les détériorations partielles (décentrage,
décollement de bobines) sont assez insidieuses car elles ne sont décelables qu’à l’oreille, il faut
rechercher minutieusement les transducteurs incriminés pour les remplacer ou les réparer. Cela
peut être fastidieux.
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2.- THEORIE
L'énergie
Difficile à définir de manière générale, l’énergie est une grandeur physique qui se manifeste sous
diverses formes. Elle est reliée à la notion de travail (d’où le symbole W [comme “ Work ”] qui lui
est souvent affectée) qui est purement mécanique (le travail résulte du déplacement d’une force).
L’énergie a pour dimension (i) ml2t-2. Elle s’exprime en Joule, J (seule unité légale). Le Joule peut
se définir mécaniquement comme le résultat d’une force de 1 Newton dont le point d’application se
déplace de 1 m dans la direction de la force. Selon les sens relatifs du déplacement et de la force,
l’énergie peut être positive (énergie fournie) ou négative (énergie absorbée).
La chaleur est également une forme d’énergie. Par conséquent, elle peut aussi s’exprimer en
Joule, même si la calorie est encore très utilisée (1 calorie ≈ 4,18 J).
On rencontre différentes sortes d’énergie : mécanique, électrique, thermique, chimique,
électromagnétique, etc. Dans un système fermé isolé de l’extérieur, l’énergie peut changer de
nature et se transformer d’une forme à l’autre, mais globalement, elle se conserve.
La puissance.
La puissance se définit comme le débit d'énergie. C'est l'énergie fournie (ou absorbée) par unité
de temps.
La puissance a pour dimension ( i ) ml2t-3. L'unité légale de puissance est le Watt (W), avec les
multiples et sous-multiples classiques : kilowatt (kW), mégawatt (MW), gigawatt (GW), térawatt
(TW), milliwatt (mW), microwatt (µW), nanowatt (nW), picowatt (pW)....
Différentes puissances
- Puissance instantanée
i(t)
Lorsque la puissance est variable, on peut
déterminer à chaque instant la puissance
fournie par la source par la formule
p(t) = dW/dt. Comme elle change sans arrêt,
chaque valeur numérique ne s'applique qu'à
un instant donné. On la note avec une
minuscule (p) et on l'appelle puissance
instantanée.
En électricité, la puissance instantanée qui
circule dans un dipôle parcouru par un courant
instantané i(t), aux bornes duquel existe une
différence de potentiel (tension électrique)
instantanée u(t) est p(t) = u(t).i(t).
Si le dipôle en question est purement résistif
(résistance de valeur R), la loi de Joule donne
la puissance instantanée absorbée (et
intégralement transformée en chaleur) :
p(t) = u2(t)/R = R i2(t)
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i(t)
+
+
X
u(t)
X
u(t)
-
-
(a)
(b)
Figure 1. : Puissance électrique absorbée et
puissance fournie. Selon les sens respectifs
de la tension et du courant dans un circuit à
deux bornes (dipôle) X, celui-ci absorbe ou
fournit de l’énergie (ou de la puissance). Dans
le cas (a), la puissance est absorbée (le
courant entre dans la borne au potentiel le
plus positif). Dans le cas (b), le dipôle fournit
de la puissance et se comporte donc comme
un générateur. Le courant sort par sa borne
positive.
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- Puissance crête, efficace, moyenne, “ RMS ”
Qu'il s'agisse du secteur, d'applications audio
ou d'électronique en général, tout le problème
de la définition et de la mesure de la
puissance vient du fait que la puissance
instantanée varie en permanence, et ce,
rarement de manière prévisible. On définit
donc
des
paramètres
de
puissance
mesurable, de nature statistique.
Par exemple, si on considère le cas d'école
d'un signal sinusoïdal pur d'amplitude V et de
fréquence F = ω/2π, appliqué à une résistance
pure de valeur R, l'expression de la tension
instantanée est u(t) = V cos(ωt), l'expression
de la puissance instantanée est :
p(t) = u2(t)/R = (V2/R) cos2(ωt).
La figure 3 laisse apparaître qu’elle varie
entre 0 et une certaine valeur maximale. Cette
valeur maximale est égale à V2/R et appelée
puissance crête.
La puissance possède aussi une valeur
moyenne égale à V2/2R. C'est la puissance
qui est transformée en chaleur par la
résistance, car celle-ci est incapable de
s'échauffer et de refroidir à la vitesse imposée
par la variation de la puissance (si F = 1 kHz,
la résistance devrait “ brûler ” puis “ geler ”
deux fois tous les millièmes de seconde, ce
que son inertie thermique ne permet pas).
Dans le cas général d’une tension de forme
quelconque, la puissance moyenne s’écrit :
P=
1
Δt
ou le courant variable sur la résistance R.
u(t)
+V
0
I=V/R
0
T
Figure 2. : tension sinusoïdale u(t) et courant
i(t) aux bornes d’une résistance pure R.
u(t)
V
0
T
1
temps
-V
Δt
p(t)
V
2
1
R
u 2 (t)dt =
i (t)dt
∫
∫
RΔt Δt
Δt Δt
Le calcul doit s’effectuer sur un intervalle de
temps Δt assez long ou dans le cas d’un
signal périodique (période T= 1/f) sur une ou
un nombre entier de périodes (Δt= NT).
La puissance moyenne P est aussi dite
puissance efficace. Elle est définie par rapport
à la dissipation thermique d’une résistance.
Pour un signal variable, on définit, de même,
la tension efficace, ou le courant efficace, par
référence à la chaleur que dissiperait une
résistance R parcourue par le courant i(t) ou
aux bornes de laquelle régnerait la tension
u(t). La tension (ou le courant) efficace est
donc la valeur d’une tension ou d’un courant
continu qui aurait le même effet que la tension
Mesures de puissance audio
temps
-V/R
Lorsque la charge est une résistance pure, on
peut aussi écrire :
P=
temps
-V
∫ p(t)dt = Δt ∫ u(t)i(t)dt
Δt
T
2
2
V /2
0
T
temps
Figure 3. : tension u(t) et puissance dissipée
dans une résistance pure de valeur R. On
notera que la puissance instantanée p(t) varie
de manière sinusoïdale à la fréquence double
de celle de la tension (ou du courant). La
valeur moyenne de la puissance, qui doit
être retenue comme la “ vraie ” puissance, est
dite puissance efficace.
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On peut donc définir la tension efficace Ueff par la puissance P = U2eff/R. Celle-ci correspond à la
puissance moyenne du signal u(t) :
P=
1
u 2 (t)dt
RΔt Δ∫t
On en déduit immédiatement que
2
U eff
=
1
u 2 (t)dt
∫
Δt Δt
soit encore :
U eff =
1
u 2 (t)dt
∫
Δt Δt
De la même manière, on déduit la valeur du courant efficace Ieff associé à un courant variable i(t) :
I eff =
1
i 2 (t)dt
∫
Δt Δt
On notera aussi que la puissance moyenne est égale au produit des valeurs efficaces P = Ueff Ieff ,
qu’on peut parfaitement assimiler à des valeurs de tension et courant continu (mais cela ne
s’applique que dans le cas d’une charge purement résistive)
Le calcul complet de la valeur efficace (courant ou tension) à partir de la valeur instantanée
impliquent trois opérations : la racine carrée (
), la moyenne(
1
...dt ) et l’élévation au carré.
Δt Δ∫t
Pour cette raison, les Anglo-saxons appellent ces valeurs “ RMS voltage ” et “ RMS current ”,
l’acronyme RMS signifiant en l’occurrence “ Root Mean Square ” (racine de la moyenne du carré).
Par extension, ils qualifient aussi souvent la valeur de la puissance moyenne de “ RMS ”, bien que,
comme on l’a noté, le calcul de cette valeur n’implique pas la racine carrée mais seulement la
moyenne du carré.
Malheureusement, la littérature francophone parfois peu soucieuse de vocabulaire précis et de
linguistique se passe trop souvent de traduire le terme et emploie abusivement le terme RMS pour
les valeurs efficaces de tension et de courant et, par extension, de puissance moyenne, ce qui est
incorrect.
Si on reprend l’exemple de la sinusoïde, où u(t) = V cos(ωt), la puissance crête est V2/R, la
puissance efficace est P = V2/2R = Veff2/R. On en déduit que Veff = V/√2 ≈ 0,707 V. De la même
manière Ieff = I//√2 ≈ 0,707 I (où I = V/R)
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- Facteur de crête
Le facteur de crête est défini comme le rapport entre la valeur crête et la valeur efficace d’un
signal. Il peut se calculer sur des tensions, des courants ou des puissances et s’exprime le plus
souvent en décibels (dB). Si on reprend l’exemple du signal sinusoïdal, le rapport entre la
puissance efficace et la puissance crête est de 1/2, ce qui donne un facteur de crête de 3 dB. Les
signaux audio peuvent avoir un facteur de crête élevé, de 8 à 20 dB selon les styles de musique.
Cela explique la nécessité d’avoir des amplificateurs de très forte puissance pour diffuser des
signaux audio de bonne qualité sans distorsion : un facteur de crête de 20 dB signifie un rapport
de 100 entre la puissance moyenne et la puissance crête du signal, ce qui signifie qu’un signal
audio dont la puissance moyenne (appliquée aux enceintes acoustiques) est de 5 W peut
comporter des crêtes de 500 W.
Type de signal
FC
FC (dB)
1
Continu
1
0
2
Sinusoïde
1,414
3
3
Sinusoïde redressée
(double alternance)
1,414
3
4
Sinusoïde redressée
(simple alternance)
2,828
9
5
Carré
1
0
2 Tension sinusoïdale
6
Triangle
2
6
4 Tension sinusoïdale redressée (simple alternance)
7
Bruit blanc gaussien
10
8
Musique
De 8 à
20
Tension
(V)
Temps
1 Tension continue
3 Tension sinusoïdale redressée (double alternance)
Tableau 1. : Facteur de crête de signaux
classiques.
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5 Tension carrée symétrique
6 Tension triangulaire
Figure 4. Formes d’ondes des signaux du
tableau 1.
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3. LES MESURES DE SONO MAG
Principes :
Il n’est guère faisable de mesurer la puissance fournie par des amplificateurs audio de puissance
dans les conditions réelles d’utilisation, surtout si on cherche à pousser les amplificateurs dans
leurs derniers retranchements. Cela aboutirait à surcharger les transducteurs et à se détruire les
oreilles, sachant que la mesure se fait dans des laboratoires fermés et de superficie modeste.
Pour cela on se place dans des conditions relativement standardisées, de manière à pouvoir
comparer tous les produits testés dans un référentiel commun.
- Les signaux utilisés ne sont pas des signaux
audio
véritables
mais
des
signaux
sinusoïdaux entretenus.
- Les charges ne sont pas des haut-parleurs
mais des résistances, ou des charges actives
(c’est-à-dire composées de transistors et de
résistances, de manière à pouvoir en faire
varier facilement la valeur), équivalentes à
des résistances, capables d’encaisser la
puissance maximale attendue (et plus si
affinités).
- Les deux canaux sont chargés et excités
simultanément, de manière à solliciter
complètement
l’alimentation
(et,
éventuellement, les diverses sécurités et le
système de refroidissement).
La charge active PAL200 de Powersoft permet
de tester les amplificateurs et d’encaisser une
puissance de 2 x 5 kW en régime permanent.
- Un oscilloscope de contrôle est branché en
permanence en parallèle sur l’instrument de
mesure, de manière à vérifier que la forme
d’onde reste correcte. La mesure de
puissance maximale est effectuée à la limite
de l’écrêtage (s’il est asymétrique), ce que
confirment à la fois l’aspect de la forme
d’onde observée visuellement à l’oscilloscope
et la mesure de distorsion harmonique
réalisée par l’instrument de mesure. En cas
d’écrêtage “ normal ” (symétrique), le taux de
distorsion harmonique de référence pour la
mesure de puissance max est de 1 %.
- Le signal étant purement sinusoïdal et
surtout, la charge étant purement résistive, la
puissance peut être directement déduite de la
mesure de tension de sortie (P=V2/2RL si V
est la valeur crête de la tension et RL la valeur
de la charge connectée à la sortie).
L’instrument de mesure effectue lui-même le
calcul et donne directement le résultat en W,
avec le taux de distorsion harmonique.
L’analyseur dSCOPE III et l’oscilloscope
Tektronix
permettent
d’exciter
les
amplificateurs et d’effectuer les mesures tout
en contrôlant visuellement les formes d’ondes.
- Idéalement, il faudrait disposer d’une alimentation secteur ajustable (autotransformateur réglable
ou variac®) pour mettre les amplificateurs dans les mêmes conditions d’alimentation et s’affranchir
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d’éventuelles variations de la tension du secteur. Cela est malheureusement difficile en raison des
grandes puissances que nous devons prendre en compte. On se contente donc de mesurer la
tension secteur et d’en adjoindre l’indication à celle de la puissance. Mentionnons tout de même
que pour les amplificateurs qui incluent des alimentations à découpage avec des fonctions de
régulation et/ou de compensation du facteur de puissance (PFC), les variations de la tension
secteur, même de relativement grande ampleur, n’influent pas sur la puissance maximale
disponible en sortie.
Oscilloscope Tektronix
PC sous Windows avec
logiciel dScope
Charge active double
Powersoft PAL 200
USB
Analyseur audio
DScope III
Multimètre
Secteur
Amplificateur sous test
Condensateurs (pour mesures
sur charge réactive)
Figure 5. : montage de test pour la mesure de puissance
Mesure de puissance en régime permanent
Le signal est une sinusoïde entretenue à 1 kHz, appliquée simultanément aux deux canaux. La
charge est une résistance identique sur les deux canaux : 8 Ohms et 4 Ohms (pour la mesure sur
les deux canaux attaqués indépendamment) et 8 Ohms pour la mesure sur l’amplificateur
configuré en pont.
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Mesure de puissance en régime impulsionnel
La plupart des amplificateurs sont capables de
fournir, pendant un court instant, une
puissance supérieure à celle qui est obtenue
en régime permanent. Cela est, en particulier,
dû à l’existence d’une réserve d’énergie
présente dans l’alimentation, mais qui
s’épuise rapidement si la forte demande de
puissance persiste. Ce supplément de
puissance permet de faire face aux
transitoires présents dans le signal musical
(lié à son facteur de crête important).
La mesure est faite dans les mêmes
conditions d’attaque et de charge que la
puissance en régime permanent. Le signal est
constitué d’une période de sinusoïde à la
limite de l’écrêtage suivie de quatre périodes
d’amplitude moitié moindre et on relève la
tension crête à crête sur la première période.
Tension
(V)
VMAX
V MAX/2
0
5
Temps (ms)
- VMAX/2
- V MAX
Figure 6. : Signal pour la mesure de
puissance impulsionnelle, le facteur de crête
est environ de 8 dB.
Mesure de puissance sur charge réactive
Pour les mesures précédentes, nous avons idéalisé la charge présentée à la sortie des
amplificateurs par des résistances pures. Mais dans la réalité, les enceintes acoustiques ne
présentent pas une impédance purement résistive à toutes les fréquences.
Cela pour de multiples raisons :
- l’équipage mobile des haut-parleurs inclut un bobinage
- le câble de liaison, s’il est long, présente une impédance parasite
- Il peut y avoir des composants réactifs en parallèle ou en série avec les transducteurs
(notamment dans le cas d’un filtre répartiteur passif)
- Un haut-parleur électrodynamique se comporte comme un récepteur d’énergie et comme
un générateur. Il renvoie donc aussi de l’énergie dans l’amplificateur. De ce fait, en régime
sinusoïdal, il se comporte comme un composant réactif, qui renvoie de l’énergie dans la
source et présente une nature capacitive ou inductive selon la relation temporelle (en retard
ou en avance) entre l’énergie renvoyée et l’énergie absorbée. Les rotations de phase sont
en particulier importantes sur les caissons de basses, du fait, notamment, des phénomènes
de résonances et plus généralement avec les haut-parleurs de grave.
- enfin, certains transducteurs sont purement réactifs. C’est en particulier le cas des hautparleurs électrostatiques (très rares dans le domaine professionnel) et des tweeters piézoélectriques, qui se présentent comme des capacités pures.
Rares sont les amplificateurs qui ont, sur
charge
réactive,
un
comportement
rigoureusement identique à celui qu’ils ont sur
charge résistive. Dans les cas les moins
graves, la tension de sortie diminue, sans
autre symptôme, lorsque la charge devient
réactive. Certains présentent des instabilités,
c’est-à-dire que la réponse qu’ils fournissent à
un signal carré (riche en harmoniques) est
agrémentée de suroscillations. Dans les cas
les plus graves, l’amplificateur est totalement
instable,
c’est-à-dire
qu’il
oscille
en
permanence. L’oscillation est souvent à
fréquence élevée et de très grande amplitude,
Ces batteries de condensateurs haute tension
et aboutit soit au déclenchement des sécurités
sont utilisées pour le test des amplificateurs
(dans le meilleur des cas), ou à la destruction
sur charge réactive en basse fréquence.
rapide de l’amplificateur.
Le test sur charge réactive permet de déceler ces tendances pernicieuses. Pour mettre en
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exergue d’éventuelles instabilités, on effectue un relevé à l’oscilloscope de la réponse temporelle
avec un signal carré à 1 kHz, l’amplificateur étant chargé par une résistance de 8 ohms avec une
capacité de 1 μF en parallèle.
La mesure de la puissance sur charge réactive en basse fréquence consiste à déterminer le
niveau maximum (à 1 % de distorsion) fourni par l’amplificateur. La charge simule un transducteur
de grave dont l’impédance présente une composante capacitive telle que le déphasage entre la
tension et le courant est de 60° à 250 Hz, c’est-à-dire en gros dans la vallée suivant son pic de
résonance sur sa courbe d’impédance. Cette charge est réalisée par une batterie de
condensateurs haute tension (132 μF au total) à film plastique connectée en parallèle sur la
charge résistive de 8 ohms. La mesure, à 250 Hz, est effectuée les deux canaux excités
simultanément, un seul voyant la charge réactive.
i
Note : la dimension d’une grandeur physique exprime sa nature et sa relation avec les grandeurs
fondamentale : la masse (m), la longueur ou la distance (l), le temps (t). Par exemple, la puissance, qui a
comme dimension ml2t-3 est équivalente à une masse multipliée par une distance élevée au carré et divisée
par un temps élevé au cube. La dimension facilite la compréhension des unités et permet de vérifier la
cohérence (homogénéité) des formules.
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