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Phase et polarité audio

4 juil , 2015  

Phase et polarité audio :

Phase et polarité : ces termes sont souvent utilisés comme si ils signifiaient la même chose. Or c’est loin d’être le cas. En électricité,  la polarité est une simple inversion du plus et du moins ou de la phase et du neutre. Peu importe si la tension est continue ou alternative. Tandis que la phase se réfère uniquement aux courant alternatif et il DOIT y avoir deux signaux. Les signaux doivent être de la même fréquence et la phase se réfère à leur relation dans le temps. Si les deux signaux arrivent au même point en même temps, ils sont en phase. Si elles arrivent à des moments différents, ils sont hors phase. La seule question est de combien de temps sont ils décalés, ou en d’autres termes, quel est le déphasage entre eux ?

Le point important à noter dans ces définitions est que vous pouvez inverser la polarité d’un signal et vous pouvez mesurer ce changement. Mais vous avez besoin de deux signaux pour mesurer un déphasage.

Les connecteurs d’entrée et de sortie d’une console, d’un amplificateur, d’une enceinte, d’un microphone, d’un haut-parleur… sont repérés et indiquent le point chaud + et le point froid -. Le signal audio est un signal alternatif qui passe successivement par des valeurs positives, puis négatives. A priori, il n’y aurait pas de raison de nommer l’un + et l’autre – , mais pour le respect de la phase relative entre plusieurs appareils ou HP, ce repérage est indispensable !

Les schémas ci dessous montrent les différences et certaines conséquences de la polarité et de la phase. Toutes les figures montrent des diagrammes de signaux sinusoïdaux. En fait, il s’agit d’une onde sinusoïdale d’une même source séparée de deux façons.

Signaux de polarité, en phase :

Voici un schéma (à gauche) qui montre 2 périodes ou 2 cycles de deux ondes sinusoïdales simples. L’une en vert et l’autre en orange.

Phase et polarité audio

Lorsque que ces deux ondes identiques sont combinés (= additionnés), le résultat obtenu est représenté par la courbe en rouge. Les deux ondes s’additionnent, donc nous obtenons une amplification du volume. C’est le phénomène qui se produit entre deux enceintes. En acoustique, la règle dit que l’on gagne 6db.

Signaux de polarité, hors phase :

Ce schéma est le même que le précédent, mais la deuxième onde sinusoïdale, en orange, a été inversée en polarité. Comme vous pouvez le voir l’amplitude (ou en électricité le + et -) des points de tension sont exactement à l’opposé de la première onde sinusoïdale, en vert. On pourrait imaginer que l’on a inversé la polarité d’une enceinte entre le + et –.

Phase et polarité audio

La courbe de droite en rouge représente ce qui arrive quand les deux ondes sont combinés. Chaque point des deux signaux étant en phase, mais avec une polarité inversé, l’addition des deux donne un résultat nul. Vous pouvez entendre facilement ce phénomène avec deux haut-parleurs en étant placé bien au centre ou avec un casque, et basculant votre stéréo en mono pour “annuler” les deux signaux.

Signaux hors phase

Sur ce schéma, la deuxième onde sinusoïdale, en rouge, commence (ou retardée) 1/4 ms plus tard (90 degrés plus tard) que la première, (en bleu).

Phase et polarité audio

Voici le schéma qui représente le résultat de l’addition de ces deux ondes :

Phase et polarité audio

On constate que l’amplitude “touche” presque les +/- 1,5 volts. La valeur est en fait +/- 1.414 volts. Cela représente une augmentation de 3 dB. Ce serait comme écouter deux haut-parleurs, mais avec l’un des deux décalé de 85mm. La première chose que vous entendez est uniquement l’enceinte qui reproduit l’onde sinusoïdale bleu. La ligne noire commence lorsque le son du deuxième haut-parleur est entendue et cette ligne est le signal combiné de deux haut-parleurs.

Supposons que le haut-parleur qui reproduit l’onde rouge serait décalé de seulement de 57 mm. Les signaux seraient décalées de seulement 60 degrés. L’augmentation pour le signal combiné serait d’environ 4,5 dB. Ainsi, la quantité de décalage de phase serait énorme.

La seconde chose à remarquer est le changement dans la forme d’onde à 1/4 ms ou 90 degrés dés que l’onde rouge se superpose à l’autre. On voit la net augmentation du à la période de mise en phase.

La troisième chose à noter est que l’ensemble du signal après ce “changement” d’onde est décalé dans le temps d’environ 45 degrés = moyenne de 0 et 90 degrés.

Signaux hors phase et polarité inversée

La deuxième onde sinusoïdale, en rouge, a non seulement sa polarité inversée, mais a aussi été décalé en phase de 90 degrés par rapport au premier signal, représenté en bleu. Dans ce cas, on peut imaginer que le haut-parleur qui reproduit l’onde sinusoïdale rouge a sa connexion d’entrée +/- inversée en polarité et est 85 mm plus loin de vous que celui qui reproduit l’onde sinusoïdale bleu.

Phase et polarité audio

Voilà ce qui arrive lorsque les deux signaux sont combinés. Le résultat est similaire à l’exemple plus haut mais avec deux différences importantes : d‘abord, le «problème» à l’endroit où le deuxième signal commence est différent (là où la courbe devient noir). La deuxième est que l’ensemble du signal est décalé de 45 degrés à nouveau, mais cette fois vers la gauche du signal original.Phase et polarité audio

Les “erreurs” que l’on a constaté tout à l’heure donnent une indication de ce qui se passe lors de l’apparition d’un signal. Tandis que la partie dite “état stable” du signal combiné (indiqué par la partie noire des lignes) semble le même, (sauf pour la variation d’amplitude), ces défauts auront une incidence sur les transitoires des sons. Cela ne veut pas dire que le résultat sera horrible, mais un décalage de phase entre deux sons identiques aura une incidence sur les transitoires, selon la fréquence et la quantité de décalage des ondes. C’est exactement le genre de phénomènes qui peut se produire dans la zone de croisement entre deux haut-parleurs. En effet, la distance entre chaque HP et l’auditeur est généralement différent donc la phase est différente selon la zone où se trouve l’auditeur. Ces zones «d’erreurs» ne se produisent que sur une certaine plage de fréquences où les deux HP reproduisent le son.

Signal déphasé de 180 degrés

C’est là où il ne font pas confondre phase et polarité. Beaucoup parte du principe que pour résoudre un décalage de phase de 180°, il suffit d’inverser la polarité du second signal.

Phase et polarité audio

Dans cette figure la seconde onde sinusoïdale, en rouge, est décalé en phase de 180 degrés par rapport à l’onde en bleu. C’est ce qui se passerait si un HP reproduirai l’onde sinusoïdale rouge en étant éloigné de 170 mm par rapport à un autre HP qui reproduirai l’onde bleu. Vous pouvez voir que, entre 180 et 900 degrés les signaux se ressemblent, mais ils ont tout simplement leur polarité à l’opposé l’un de l’autre. Il est très important de noter que si vous ne pouviez pas voir le début ou la fin de ces signaux, vous ne pourriez pas dire si ces ondes serait décalées (hors phase) ou seulement en polarité inversée. Trop souvent, c’est ce qui provoque la confusion entre une inversion de polarité et un déphasage de 180 degrés.

Phase et polarité audio

Ceci est le résultat de l’addition des deux signaux. Contrairement à l’exemple de tout à l’heure où les signaux sont tout simplement hors de polarité, donc annulé, ici il y a clairement deux moitiés positifs de chaque onde visible avant et après les deux signaux annulés le long de la ligne noire entre 180 et 900 degrés. Le premier est de l’onde sinusoïdale bleu qui se produit avant le début de la superposition de l’onde sinusoïdale rouge. Le second est de l’onde sinusoïdale rouge sur qui se poursuit après que l’onde bleu se soit arrêté.

Signal déphasé de 180 degrés et inversé en polarité

Ceci est la même que l’exemple précédent , sauf que  la polarité du signal rouge a été inversée.

Phase et polarité audio
Phase et polarité audio

Un fois les deux signaux combinés, entre 180 et 900 degrés, les signaux augmente en volume grâce à la polarité. Ce qui n’est pas le cas au delà de ces zones. L’information de ce signal est représenté par la première moitié du cycle de l’onde sinusoïdale bleu, de même pour la dernière moitié de l’information du signal qui est donné par l’onde sinusoïdale rouge. Vous pouvez clairement voir que ces deux moitiés de cycle d’ondes sinusoïdales ont une amplitude beaucoup moins élevées.

La raison est que ces deux signaux, même si identique, sont décalées de 180 degrés. Ils s’additionnent seulement entre 180 et 900 degrés lorsque les deux polarité sont alignées. Plus important encore, au cours de cette période de temps, différentes parties du même signal s’ont ajouté ensemble. Par exemple, vous pouvez voir qu’entre 180 et 360 degrés, la deuxième moitié de la première onde sinusoïdale bleue s’ajoute à la première moitié de la première onde sinusoïdale rouge.

Signaux réels

Les ondes sinusoïdales sont faciles à observer pour montrer de façon spectaculaire la différence entre la polarité et de phase. Armés de cette connaissance, vous pouvez regarder les schémas ci dessous qui montrent quelque chose comme un signal audio réel où les effets de la polarité et de phase sont plus difficiles à voir.

Le signal représenté sur ces figures a été généré par un algorithme mathématique qui produit quelque chose proche d’un signal comme un bruit rose. Le bruit rose contient toutes les fréquences avec une quantité égale de l’énergie dans chaque bande d’octave. Les signaux audio réels ne semblent pas très différents de ce bruit rose (mais il est à espérer qu’ils sonnent mieux !).

Il y a une chose importante à comprendre au sujet du déphasage. Le durée du décalage d’un signal par rapport à un autre aura des effets différents selon les fréquences. On suppose qu’il existe une différence de temps de 1 ms entre deux signaux identiques. A 500 Hz, le résultat sera conforme au schéma plus haut, car à 500 Hz, la différence de temps de 1 ms équivaut à un décalage de phase de 180 degrés. Les signaux sont compensés par la moitié d’un cycle.

À 1 kHz les signaux seront compensés par 1 cycle complet. En d’autres termes, vous voulez entendre un cycle du premier signal puis les deux signaux se combinent, alors que vous entendez là un cycle du second signal après que le premier se soit arrêté. Ceci est similaire à ce qui est montré dans le schéma plus haut.

A 250 Hz, une différence de temps de 1 ms correspond à un décalage de phase de 90 degrés ou un décalage de 1/4 de cycle. A des fréquences plus basses, le déphasage serait encore moins important et les signaux auraient tendance à s’ajouter, mais jamais tout à fait à atteindre l’augmentation de 6 dB (polarité parfaite).

Contrairement à la phase, la polarité affecte toutes les fréquences de la même façon. Elle rend les parties positives négatives et les parties négatives positive. Autrement dit, elle retourne simplement le signal de la même manière à toutes les fréquences. Ceci en tête, regardez les schémas ci dessous :

Effets de la polarité et de phase sur des signaux audio “réels”

Ce schéma représente un signal de bruit rose généré comme indiqué ci-dessus.

Phase et polarité audio

Celui ci représente à la fois le signal original en bleu et ce qui se passe quand un signal identique est décalé, et avec un décalage de phase, on obtient la courbe en rouge, qui est similaire au signal combiné. Notez les augmentations de niveau de signal et les changements dans la forme d’onde. Cependant, vous pouvez également voir le signal combiné qui suit d’assez près l’original.

Phase et polarité audio

Ce schéma montre à la fois le signal original en bleu et ce qui se passe lorsque l’on ajoute un signal déphasé et inversée en polarité. Dans ce cas, il y a d’énormes différences entre le signal original et combinée.

Phase et polarité audio

Afin de mieux comprendre le phénomène, ce schéma représente une courbe “moyenne” d’un bruit rose. Ceci est exactement ce que vous verriez si vous analysez ce bruit rose avec un un micro de mesure typique.

Phase et polarité audio

Même exemple que tout à l’heure avec cette courbe moyenne superposée avec cette même courbe déphasée. Le résultat est cette courbe rouge. Notez qu’il existe des différences de niveau (surtout des amplifications). Sinon, les deux lignes se ressemblent beaucoup.

Phase et polarité audio

Dans cette dernière analyse, la courbe rouge montre que la rupture de la polarité et le déphasage représente presque une ligne droite. Parce que vous êtes sur une large bande de fréquences, vous voyez une annulation sévère des fréquences plus basses en raison de l’inversion de polarité. Toutefois, contrairement aux basses fréquences, les fréquences supérieures ne peuvent s’annuler complètement en raison du déphasage. La ligne rouge contient essentiellement des fréquences principalement aigus. Dans le signal bleu les hautes fréquences sont les petites “bosses”. Ces dernières peuvent être clairement vu dans le signal rouge car la plupart d’entre elles correspondent à celles dans le signal bleu.

Phase et polarité audio

C’est un excellent exemple de ce que vous pourrez entendre si vous vous situez exactement entre deux haut-parleurs qui jouent le même signal (mono) avec un haut-parleur avec la polarité inversé. La basse disparaîtra. Mais, il y aura toujours une différence de distance entre vous et les haut-parleurs en raison de l’espacement de vos deux oreilles et probablement une légère différence globale de la distance entre vous et chaque haut-parleur. Une différence de distance signifie une différence dans l’arrivée du temps et donc il y aura des déphasages entre le son des deux haut-parleurs. La quantité de décalage varie avec la fréquence. En raison des courtes longueurs d’ondes des fréquences élevées, les déphasages permettent à la plupart des fréquences élevées d’être entendu. En outre, dans une pièce, vous aurez également les réflexions sonores du plancher, des murs et le plafond.

Conclusion

Vous savez tout. J’espère que vous comprendrez la différence entre phase et polarité et quelques-uns des effets de chacun. Rappelez-vous que la gamme de fréquences audio couvre des longueurs d’onde de plus de 10 mètres aux fréquences les plus basses à moins de 25 mm dans les plus hautes fréquences.

Alors qu’une inversion de polarité aura une incidence sur toutes les fréquences identique, une différence dans l’arrivée de temps entre deux signaux identiques aura des effets très différents sur la phase entre eux. La quantité de déphasage est différent selon les fréquences et sera encore différent si on modifie  la quantité de ce déphasage.


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