Sources de bruit entre équipements audio

Ce texte a été initialement posté dans le topic de la Hi-Fi le 11 mars 2017 par e-t172.

Boucles de terre

C'est de loin la cause de bruit la plus courante. Une boucle de terre apparaît lorsque les conditions suivantes sont toutes réunies :

• Un câble relie les deux appareils audio.
• Ce câble relie les masses des deux appareils. C'est typiquement le cas sauf câble « trafiqué » (voir plus bas).
• Les deux appareils ont leurs masses également reliées par un autre chemin. Typiquement il s'agit de la prise de terre, ce qui explique pourquoi un appareil démuni de prise de terre (classe II) est rarement sujet à ce problème. Malheureusement une enceinte active pro, telle qu'une JBL LSR30x, est typiquement un appareil de classe 1 doté d'une prise de terre.

Dans ces conditions, une partie du courant qui circule dans les appareils va exploiter ce nouveau chemin et retourner à la masse à travers le câble reliant les deux appareils, au lieu de simplement s'écouler normalement à travers les masses internes des appareils eux-mêmes. Comme le dit un fameux adage : « les électrons sont têtus et ils ne lisent pas les schémas ».

Une boucle de terre en elle-même n'est pas un problème si elle passe à travers des conducteurs qui ne sont pas utilisés pour transporter le signal ; c'est le cas par exemple des liaisons audio symétriques.

Par contre, si la boucle de terre passe par un conducteur qui fait partie du signal, par exemple le shield dans une liaison asymétrique (qui est utilisé pour la référence du signal), le courant parasite va provoquer une tension dans le conducteur (loi d'ohm). Cette tension parasite est indistinguable du signal et se retrouve donc sous forme de bruit.

La nature et l'intensité du bruit dépend des impédances des différents chemins de retour vers la masse, qui dépendent de la topologie interne des appareils et de l'impédance du câble. La situation peut donc être très différente d'un cas à l'autre. Le bruit dépend également de l'intensité des courants qui cherchent à retourner vers la masse, qui dépendent à leur tour de l'activité électrique dans l'appareil. Cela explique pourquoi le bruit a tendance à changer lorsque l'activité de l'appareil change. Par exemple, lancer un jeu vidéo va avoir un énorme impact sur la consommation électrique du GPU d'un PC, et va donc avoir des conséquences sur la quantité de courant qui retourne vers la masse, et donc sur le bruit.

Interférences basse fréquence

Par « basse fréquence » je veux dire dans les environs de 20Hz-20kHz. Dans ces fréquences là, nous baignons tous dans des champs électriques divers et variés, souvent causés par la tension secteur (50 Hz) et des harmoniques souvent causées par des alimentations à découpage (telles que celle d'un PC).

Le risque ici est que le câble se comporte une antenne dipolaire, où un pôle de l'antenne est représenté par le conducteur portant le signal et l'autre pôle est représenté par la masse de l'appareil. Une manière équivalente d'exprimer ça est de dire qu'il y a une capacité parasite entre le signal et la masse.

Le shield d'un câble, en lui-même, est incapable d'arrêter ces champs électriques parce que la fréquence est trop basse et le shield est trop fin. Pour que le shield fasse son effet il faut qu'il soit connecté à la masse - en effet, dans ce cas la géométrie de l'antenne est modifiée de telle sorte que la sensibilité au champ électrique devient négligeable.

Il arrive souvent que le bruit lié à ces interférences disparaisse dès lors que le câble est branché à une sortie audio alimentée. Cela est lié au fait qu'une sortie audio typique est implémentée par le biais d'un amplificateur opérationnel doté d'un circuit de contre-réaction (negative feedback) qui corrige toute déviation en sortie. Comme une interférence induit une tension parasite qui est « visible » des deux côtés du câble (contrairement à un courant de masse), le bruit causé par l'interférence est automatiquement « corrigé » par l'amplificateur opérationnel, qui envoie une tension opposée pour compenser. Si le câble est débranché, ou si la sortie audio est éteinte, le bruit revient.

Solutions

Une liaison purement symétrique (sortie symétrique, câble symétrique shieldé, entrée symétrique) est de facto immunisée contre tous ces problèmes. Non seulement le câble est shieldé de bout en bout avec liaison à la masse, mais en plus le shield ne transporte pas le signal (les boucles de masse n'ont donc pas d'impact) et si ce n'est pas suffisant, la construction symétrique du câble (paires torsadées, impédances symétriques) permet à l'amplificateur différentiel situé à l'entrée de rejeter toute interférence résiduelle qui aurait réussi à passer outre les barrières susdites (notamment les champs magnétiques). C'est de très loin la solution la plus propre, mais elle n'est pas toujours envisageable pour des raisons d'équipement ou de coût (surtout pour du 5.1).

Il est possible de transformer une liaison asymétrique en liaison symétrique à l'aide d'un transformateur d'isolation, tel que celui inclus dans une DI Box. Pour des résultats optimaux la longueur de la section asymétrique doit être réduite au strict minimum. Malheureusement, un transfo de bonne qualité coûte cher, et un mauvais transfo peut poser des problèmes de qualité sonore (en particulier, non-linéarité dans les basses fréquences). Pour éviter une boucle de masse sur la portion asymétrique il peut être nécessaire de couper la masse entre les deux côtés du transfo, une option que les DI Box offrent sous la forme du "ground lift".

Dans le cas précis d'une boucle de masse dans une liaison asymétrique - symétrique (cas très courant du PC connecté à un ampli de classe II, tel qu'une LSR 30x), il existe une troisième solution, plus simple et moins chère : couper la masse au niveau du câble, par exemple à l'aide d'un adaptateur "ground lift" ou simplement en trafiquant le connecteur. Le principe de cette solution consiste à connecter la masse de la sortie asymétrique au "cold" de l'entrée symétrique, mais pas à la masse de l'entrée comme un câble typique le ferait. Comme l'impédance masse-cold est généralement élevée (quelques kiloohms), la boucle de terre est éliminée. En contrepartie, la continuité du shield est compromise, ce qui invite les interférences. Dans la plupart des cas ces dernières seront automatiquement compensées par l'étage de sortie, mais cela ne fonctionne que si la sortie est alumée. Dans le cas d'un PC éteint ou en train de démarrer par exemple, il y a fort à parier que du bruit audible sera généré.