La majeure partie des évènements dans lesquels sont utilisés des systèmes Pikip se déroule en plein air, dans certains cas proche d’habitations ou en centre ville, ce qui peut dans certains cas générer des nuisances sonores pour le voisinage.
C'est d'autant plus critique depuis 2018 et l'application du Décret du 7 août 2017 au JO, dit décret "son", sur les limites de niveau sonore dans et autour d'un événement (ici >>).

Pour éviter ces nuisances, une solution existe : le contrôle de directivité. Il s’agît de concentrer l’énergie sonore sur le public, plutôt que celle-ci se retrouve chez les voisins. Si la question des nuisances sonores se pose relativement peu pour les hautes fréquences du fait de leur directivité plus resserrée (plus de détails sur les lois du rayonnement acoustique ici >>), les basses fréquences, quant à elles sont davantage omnidirectionnelles et il faut ruser. En combinant plusieurs enceintes omnidirectionnelles, il est possible de modifier la directivité globale du système (tout comme avec les microphones !).

NB : En intérieur, le contrôle de la directivité permet également de réduire la réverbération lors d’un concert dans une salle acoustiquement inadaptée. Il permet d’envoyer une onde sonore uniquement sur la zone utile et de limiter les réflexions sur les murs arrière.
Contrôler la directivité permet aussi d’éviter d’avoir trop d’énergie en basses fréquences sur la scène, pour améliorer le confort des musiciens en évitant la salade de basses.

Plusieurs méthodes de combinaisons d’enceintes omnidirectionnelles ont été développées. Parmi les plus connues figurent la disposition en gradient inversé et gradient en ligne (cardioïde) et la disposition en end-fire (pseudo-cardioïde). Chaque méthode a des avantages et des inconvénients, et des cas d’utilisation en fonction de la taille de la scène et du nombre d’enceintes, mais elles ont toutes pour objectif de limiter la dispersion sonore et de focaliser l’énergie acoustique dans la zone souhaitée. La configuration en gradient inversé sera décrite en détail, les configurations en ligne et end-fire le seront de manière plus succincte.

Le Cardioïde en disposition gradient

Deux types de dispositions en gradient existent : le gradient en ligne (avec deux éléments) et le gradient inversé (trois éléments). Le gradient inversé est le plus utilisé, et c’est cette méthode que nous décrirons ici.
En résumé :

  • • Simple à mettre en place
  • • Bon contrôle de directivité
  • • Bonne réponse impulsionnelle
  • • Ne nécessite pas beaucoup d’enceintes.

Ce système a été décrit pour la première fois par Harry Olson en 1973 dans l’article « Gradient Loudspeakers » (accessible ici >>). Il est très utilisé dans les concerts du fait de sa facilité d’implémentation et de sa pertinence.

Pour un cardioïde en gradient inversé, le concept est le suivant : il s’agit de deux enceintes qui envoient du son vers le public et d’une enceinte retournée qui génère une onde en opposition de phase et retardée à l’arrière pour annuler le son (interférence destructive).

Fonctionnement en détail

Les enceintes face au public n’ont pas de délai appliqué et la polarité est normale, c’est à dire qu’aucun traitement n’est appliqué au signal qu’elles reçoivent.
Le signal de l’enceinte retournée a sa polarité inversée. De plus, il est retardé d’un délai correspondant à la formule suivante :

Délai = d/c

d étant la distance entre le haut parleur de l’enceinte de face et le haut parleur de l’enceinte faisant dos au public comme indiqué sur le schéma et c la vitesse du son en m.s-1, soit 343 m.s-1 à 20°C, en prenant en compte la taille totale du système que l’onde doit contourner.

NB : Il faut préciser que les enceintes omnidirectionnelles en question ont en fait une atténuation proche de -6 dB à l’arrière, c’est pour cela qu’il est utile de retourner une enceinte.

Les conséquences acoustiques sont les suivantes :

  • • L’opposition de phase et le délai sur le signal de l’enceinte inversée permet de créer une annulation entre celle-ci et les ondes générées par les enceintes qui font face au public (qui ont elles aussi une atténuation de 6 dB à l’arrière).

  • • L’onde générée par l’enceinte retournée arrive à l’avant en retard mais avec un niveau 12 dB plus faible que les enceintes qui font face au public (très faible contribution au son dans le public, légère dégradation de la réponse impulsionnelle), le résultat est presque équivalent à avoir uniquement les 2 enceintes face au public.

Afin de clarifier tout cela, voici un schéma explicatif :

En ce qui concerne l’onde avant, la combinaison des enceintes de face et de l’enceinte retournée crée simplement un très léger décalage de phase. Cela entraîne une augmentation de 0,5 dB, au lieu de 3,5 s’il y avait trois enceintes dirigées vers le public en phase. La réponse impulsionnelle est prolongée et le son sera donc impacté (moins que pour la version gradient en ligne). Dans des espaces qui ne bénéficient pas d’un bon traitement acoustique, cela peut être un avantage. Par exemple dans une salle mal traitée acoustiquement, l’onde arrière réfléchie par le mur dégrade également la réponse impulsionnelle, puisqu’elle arrive en retard par rapport à l’onde avant.

Dans le cas de PikiP, nos subwoofer sont pseudo-omnidirectionnels pour faciliter la réalisation du motif cardioïde. Voici les résultats pour un stack de 4 VTL118 en configuration gradient inversé :




Les autres dispositions :

Gradient en ligne
Le gradient en ligne est constitué de deux enceintes, espacées d’une distance d. Le signal envoyé à l’enceinte à l’arrière est mis en opposition de phase et retardé d’un délai qui correspond à la distance d. Cela résulte en une annulation entre les ondes générées par l’enceinte avant et arrière. A l’avant, les ondes ont une amplitude similaire, et se somment mais avec un écart de phase relativement important ce qui dégrade la réponse impulsionnelle.

End-fire
La disposition en end-fire ressemble à la disposition gradient en ligne du fait de l’alignement d’enceintes, mais est tout à fait différente dans la manière d’annuler les ondes à l’arrière. Il s’agît d’un minimum de quatre enceintes, espacées entre elles d’une distance d. Les retards sont appliqués de telle sorte que toutes les ondes sont en phase à l’avant. Les ondes arrière ont des phases aléatoires (du fait de l’espacement et des retards), ce qui crée une annulation large bande, à condition qu’au moins quatre enceintes soient utilisées ; dans le cas contraire l’annulation n’aura lieu que pour certaines fréquences. Les avantages de cette méthode sont l’efficacité énergétique et la bonne réponse impulsionnelle puisque les ondes se somment parfaitement à l’avant. En revanche, elle nécessite beaucoup d’espace entre le public et la scène, et l’installation est plus complexe que pour un gradient inversé (nécessité de mesurer, etc.). De plus, l’annulation à l’arrière s’améliore à mesure que l’on s’éloigne des enceintes, c’est bien pour les voisins, moins bien pour les musiciens sur la scène.

Conclusion :

Il est parfois nécessaire de contrôler la directivité dans les basses fréquences, afin d’éviter les nuisances sonores pour les voisins et pour les musiciens sur la scène. Pour cela plusieurs méthodes existent.
La disposition en gradient inversé permet de créer une directivité cardioïde efficacement et avec peu de moyen (traitement, nombre d’enceintes, place au sol…). Elle a pour principal défaut d’avoir une sommation imparfaite en façade, ce qui génère une perte importante d’efficacité énergétique : pour une même puissance électrique dissipée, le niveau sonore est plus faible. Typiquement, une réduction de 12 dB à l’arrière implique une perte de 3 dB à l’avant si l’on compare à un système ou les trois enceintes seraient en phase.

Une autre configuration existe qui évite tous ces problèmes : la disposition en end-fire. Elle permet un bon contrôle de directivité, tout en gardant l’efficacité énergétique et la réponse impulsionnelle des enceintes seules. Malheureusement elle n’est pas adaptée à tous les évènements : elle demande une distance importante entre le public et la scène, et un nombre de subs relativement élevé, 4 à minima. De plus, il faut adapter les délais selon l’implantation, les réglages doivent se faire sur place.

Pikip propose des presets pour la disposition en gradient inversé, qui est la plus polyvalente et simple à mettre en œuvre. Cependant, il est important de mettre dans la balance nuisances sonores et besoin en niveau sonore, efficacité (voir la différence entre les deux ici >>) et en autonomie avant d’utiliser une disposition en cardioïde, car ceux-ci seront réduits. Si les conditions sont réunies, l’implantation en end-fire est bien sûr possible, et recommandée, avec les enceintes Pikip !