Conception d'un filtre audio non pondéré avec une réponse en fréquence plate

Nov 03, 2023

Il existe plusieurs méthodes de mesure du bruit audio utilisées par les sonomètres. Ceux-ci sont généralement caractérisés par les courbes de réponse en fréquence des filtres. Alors que certains filtres audio sont conçus pour imiter la réponse en fréquence de l'oreille humaine à différents niveaux sonores, cet article se concentrera sur la conception détaillée d'un filtre audio pondéré Z (non pondéré) avec une réponse en fréquence plate de 20 Hz à 20 kHz. Le filtre peut être utilisé conjointement avec le compteur de tension et de courant à large bande décrit dans l'un de mes articles précédents.

La courbe de réponse en fréquence plate et non pondérée est illustrée à la Figure 1. Les limites de réponse en fréquence du filtre limiteur de bande sont spécifiées comme un « masque » dans la recommandation UIT-R BS.468-4 pour la mesure du niveau de tension de bruit audio-fréquence dans Diffusion sonore. La norme internationale CEI 61672 définit une réponse similaire et plate sur les fréquences audio comme « pondérée Z » ou pondérée nulle.

La réponse mesurée du filtre que nous concevons doit s'adapter à l'intérieur du masque, ce qui nécessite une réponse plate sur presque toute la plage de fréquences audio. Cette technique donne des résultats, mesurés en valeurs RMS, qui peuvent être utilisés pour concevoir des niveaux de bruit plus faibles.

Le filtre non pondéré est composé de deux filtres qui seront connectés en série :

Il est possible de répondre aux exigences de masque avec des filtres Butterworth (qui n'ont pas de pic dans la courbe de réponse en fréquence) modifiés pour avoir des pics de 0,5 dB. La réponse en fréquence, exprimée en A en décibels d'un filtre Butterworth d'ordre n est donnée par :

$$A = 10\log_{10}(1 + \Omega^{2n})$$

Ω dépend du type de filtre :

où:

ω est la fréquence du signal

ωc est la fréquence de coupure -3 dB

Le masque nécessite un filtre passe-haut de deuxième ordre pour fournir une réponse croissante de 12 dB/octave de bien en dessous de 1 Hz à 22,4 Hz, et un filtre passe-bas de troisième ordre pour fournir une réponse descendante à partir de 22,4 kHz.

La figure 2 montre le schéma de la solution modifiée de Butterworth.

Les filtres utilisent les versions à valeur de composant égale de la configuration Sallen et Key. Le réglage s'effectue assez facilement en augmentant les valeurs des résistances de réglage de gain R7 et R12 jusqu'à ce que la réponse culmine de 0,5 dB par rapport à la réponse à 1 kHz à chaque extrémité.

R2 est étiqueté « Ajuster lors du test ». Cela signifie qu'avec le filtre connecté au voltmètre à large bande, vous mettez 1 Vrms à 1 kHz dans le voltmètre (sur la plage de 1 V, bien sûr) et ajustez R2 jusqu'à ce que la sortie soit également de 1 V.

Vous vous interrogez peut-être sur l'amplificateur U1B près du centre en haut de la figure 2. Il est là parce que la résistance de sortie de U2A est en série avec C3, et à des fréquences bien supérieures à 20 kHz, la résistance n'est pas négligeable par rapport à la réactance de C3, donc l'atténuation de 18 dB/octave n'est pas atteinte. Ce n'est pas négligeable car la résistance de sortie en boucle ouverte (non indiquée dans la fiche technique) est réduite par la rétroaction négative, mais le gain en boucle ouverte est assez faible aux hautes fréquences, comme c'est l'habitude avec les amplificateurs opérationnels.

Pour un ampli opérationnel à usage général TL072, le gain en boucle ouverte n'est que d'environ 30 à 100 kHz, le feedback ne peut donc pas réduire beaucoup la résistance de sortie. L'ampli opérationnel audio LM4562 n'est guère meilleur à cet égard. U1B fournit une résistance de sortie inférieure, permettant de répondre à l'exigence de réponse.

Vous remarquerez peut-être également J2. Cela facilite l'utilisation fréquente de ce filtre et d'autres filtres externes. Une prise DIN à 5 broches est ajoutée au bloc 4 du voltmètre à large bande, de sorte que non seulement les connexions des signaux GO et RETURN soient établies, mais que le filtre externe soit également alimenté en courant continu par le voltmètre.

Le filtre externe peut être équipé soit d'un câble volant avec une fiche, soit d'une autre prise, de sorte qu'un câble de connexion puisse être utilisé. Il serait bon que les fils des broches 1 et 5 soient blindés individuellement afin d'éviter un couplage de capacité parasite à travers le filtre. Des câbles à quatre conducteurs blindés individuellement, d'un diamètre assez petit, peuvent être obtenus, et les blindages fournissent bien entendu le cinquième conducteur nécessaire.