Connaître l’audio : un gâchis de câbles

Nous avons maintenant passé plusieurs mois dans cette série à parcourir le monde de l’audio, et en cours de route, nous avons examiné les différentes parties d’un système Hi-Fi, du haut-parleur à la source. Ce fut une balade agréable pleine de détails techniques et d’examen des mythes Hi-Fi dans une égale mesure, mais il est maintenant temps de descendre dans l’un des domaines les plus simples mais les plus controversés de la reproduction audio. Chaque composant audio, qu’il soit numérique ou analogique, doit être connecté à n’importe quel système dont il fait partie, et c’est le travail des câbles audio, parfois appelés interconnexions. Ils sont probablement le composant le plus sensible aux affirmations ténues sur leurs performances, les audiophiles étant prêts à dépenser des sommes considérables pour des câbles censés offrir ce petit plus de performances d’écoute. Y a-t-il quelque chose dedans, ou sont-ils tous les mêmes bouts de fil, les plus chers étant une arnaque ? Il est temps de jeter un œil.

Ce qui fait un câble presque bon

Dans un système audio domestique typique avec des signaux numériques et analogiques, vous pouvez vous attendre à trouver deux types de câbles, des interconnexions électriques pouvant transporter des signaux analogiques ou numériques, et des câbles optiques pour les signaux numériques. Nous sommes ici pour parler des câbles électriques ici car ce sont eux qui sont utilisés pour les signaux analogiques, alors commençons par une petite théorie des lignes de transmission.

Un graphique transitoire montrant la tension augmentant sur environ 50 microsecondes
C’est ce qui se passe lorsque je raccorde une lampe de vélo à une alimentation CC.

Peut-être que l’un des premiers circuits électriques que vous ayez jamais construit avait une batterie et une ampoule de lampe de poche connectées à une longueur de câble à deux conducteurs. Lorsque vous avez touché le fil aux bornes de la batterie, l’ampoule s’est allumée et lorsque vous l’avez relâchée, la lumière s’est éteinte. C’était un circuit à courant continu avec deux états, éteint et allumé, et c’est tout ce qu’il y avait à faire. Mais si vous deviez brancher un oscilloscope à mémoire au fil lorsque vous avez branché l’ampoule, vous remarquerez peut-être quelque chose d’intéressant. Au lieu de sauter de off à on dans une transition instantanée, en fait la tension se courberait vers le haut en quelques microsecondes. Le circuit DC n’a soudainement pas l’air aussi parfaitement bi-état qu’on le pensait, alors que se passe-t-il ?

La tension se courbe vers le haut car les fils et l’ampoule ne sont pas parfaits. Ils ont une petite quantité de résistance, d’inductance et de capacité, appelées parasites, et c’est l’interaction entre ceux-ci qui fait augmenter la tension sur une courte période plutôt qu’immédiatement. C’est presque immédiat, donc c’est bien pour une lampe de poche, mais dès que des fils similaires sont utilisés pour transporter un signal, ce circuit RCL parasite commencera à l’affecter. Les premiers ingénieurs du télégraphe et du téléphone étaient confrontés à ce problème car leurs fils s’étendaient sur des centaines de kilomètres et avaient donc des valeurs R, C et L importantes qui donnaient l’effet d’un filtre passe-bas. Leurs tentatives pour comprendre le phénomène ont donné naissance à ce que nous appelons maintenant la théorie des lignes de transmission, avec laquelle quiconque a travaillé avec RF devrait être intimement familier.

Circuit équivalent d'une ligne de transmission, montrant les différents composants parasites présents.
Circuit équivalent d’une ligne de transmission, montrant les différents composants parasites présents. Omégatron (CC BY-SA 3.0)

Cela dit, une interconnexion audio est une ligne de transmission dans laquelle il convient de prendre en compte les valeurs parasites R, C et L, je vais maintenant renverser cela complètement et dire que, dans des limites raisonnables, les performances de la ligne de transmission de l’interconnexion comme nous le comprendrions pour les circuits radio, cela n’a pas beaucoup d’importance aux fréquences audio. La raison se résume à la courte longueur d’une interconnexion audio, qui à quelque chose de l’ordre de quelques pieds (ou un mètre) a des valeurs parasites qui sont si petites qu’elles font peu de différence en tant que filtre passe-bas. Lorsque cela est comparé à la longueur d’onde aux fréquences audio – 300 km à 1 kHz – c’est insignifiant.

Pour en revenir à l’ampoule de notre lampe de poche, le courant dans ces fils de la batterie était en courant continu, circulant toujours dans la même direction. Si nous les imaginons comme des fils de cuivre épais à un seul brin, nous pouvons en outre imaginer le courant à l’intérieur comme s’il s’agissait d’un écoulement d’eau dans un système de plomberie idéalisé, avec un écoulement uniformément réparti sur sa section transversale. Nous savons que le courant électrique crée des champs magnétiques, de sorte que les fils alimentant notre ampoule seront entourés d’un champ statique tant que le courant continu circulera.

Un tracé de densité de courant à travers un conducteur, il est bleu sur les bords indiquant un courant plus élevé et noir au milieu indiquant peu de courant.
L’effet de peau illustré par un tracé de densité de courant sur une section transversale d’un conducteur. δ fait référence à la profondeur de peau, dans laquelle la majorité du courant circule. Biezl, domaine public.

Avec un courant alternatif tel qu’un signal audio, le champ magnétique est différent. Au fur et à mesure que le courant change, le champ change, et puisque les changements de champs magnétiques induisent des courants dans les conducteurs à proximité, ils induiront des courants supplémentaires dans le fil. Ceux-ci ne circulent pas commodément sous forme de courants linéaires sur la longueur du conducteur, mais sous forme de courants circulaires dits de Foucault à l’intérieur. Parce qu’une partie du courant circulaire circule vers l’avant et une partie vers l’arrière, vers le centre du conducteur, les courants de Foucault annulent le courant direct.

Cela donne lieu à ce que l’on appelle l’effet de peau, dans lequel les courants alternatifs circulent principalement vers l’extérieur d’un conducteur, et revenant au paragraphe précédent, cela peut produire le résultat d’une augmentation significative de cette résistance parasite aux fréquences audio AC. Pour une interconnexion audio, cela peut nuire à sa qualité, il est donc courant que les câbles audio augmentent leur surface autant que possible en ayant de nombreux petits brins de fil au lieu d’un seul plus gros. Au cas où cela ne suffirait pas, des câbles de qualité supérieure garantissent la plus faible résistance à la surface des brins de fil en plaquant du cuivre à l’argent ou à l’or.

Faire exploser certains mythes du câble

Flèches de direction sur un morceau de câble de haut-parleur
Flèches de direction sur un câble de haut-parleur. Richard Corfield, avec permission.

Nous avons donc établi qu’un bon câble audio doit avoir une résistance, une inductance et une capacité parasites minimales. En raison de sa longueur relativement courte, ses performances en tant que ligne de transmission au sens RF sont largement sans importance, et l’effet de peau peut être réduit en utilisant un câble multibrin. Mais il y a d’autres choses à considérer lors de l’achat d’un câble décent, et ce sont peut-être les plus intéressantes car nous entrons ici dans le monde du woo audiophile. Si vous regardez les câbles dans un catalogue audiophile, vous verrez des termes tels que « sans oxygène » et « directionnel », que signifient-ils ?

Le cuivre sans oxygène est une forme de cuivre raffiné de très haute qualité. Il a une conductivité très légèrement meilleure que le cuivre ordinaire en raison de l’élimination des impuretés, et donc les audiophiles affirment qu’il offre une qualité nettement meilleure. La réalité est que la longueur d’une interconnexion audio est si petite que la conductivité légèrement meilleure n’est pas significative dans ses performances. Les applications qui nécessitent des câbles plus longs de l’ordre de centaines de mètres pourraient voir un avantage, nous nous attendons donc à le trouver dans l’instrumentation scientifique pour les grands projets tels que le CERN, mais pour les interconnexions audio courtes, il s’agit simplement d’un outil de marketing.

Si vous achetez une interconnexion décente, elle utilisera probablement du cuivre sans oxygène, mais ses performances proviendront de l’utilisation d’une grande section de fils fins et peut-être plaqués argent et non du cuivre extra-pur. Les câbles directionnels sont une autre affaire, vous trouverez de nombreux câbles audio avec de petites flèches dessus indiquant la direction dans laquelle le courant doit circuler. Une recherche sur le Web révélera une variété d’explications à cela qui reposent généralement sur l’action parasite de la diode entre les grains individuels dans la masse de cuivre, et certaines d’entre elles suggèrent même que la directionnalité augmentera avec l’utilisation. C’est un autre excellent outil de marketing pour les audiophiles crédules, mais contrairement à la conductivité du cuivre sans oxygène, il n’a aucun fondement dans la vérité. Les câbles audio ou tout autre câble ne sont tout simplement pas directionnels, ils fonctionnent aussi bien quel que soit le sens dans lequel ils sont branchés. Désolé les audiophiles, vous vous êtes fait avoir.

N’importe quel câble idiot peut compter pour un

Câbles dorés : pas ce qu'ils semblent être.
Câbles USB dorés : pas ce qu’ils semblent être.

Jusqu’à présent, nous n’avons examiné que les câbles audio analogiques dans cette pièce, mais bien sûr, ce ne sont pas les seuls câbles vendus aux audiophiles. Vous pouvez par exemple acheter des câbles secteur IEC « spéciaux » à des prix exorbitants, ou des câbles numériques de qualité audiophile pour Ethernet, USB, TOSlink ou HDMI.

Un câble secteur n’est qu’un câble secteur tant qu’il a des conducteurs dimensionnés pour le courant approprié. Les câbles numériques sont presque aussi simple.

Avec les mythes du câble numérique, il y a un élément de vérité, mais ce n’est pas celui qui devrait vous coûter des centaines de dollars. Les câbles numériques sont différents des câbles audio analogiques en ce sens que le débit binaire est à une fréquence beaucoup plus élevée que celle du signal codé dans les bits. Ainsi, les performances de leur ligne de transmission deviennent un problème important, et parfois cela peut apparaître dans le choix du câble.

Trouvez le câble HDMI à moins de 5 $ le moins cher du marché et il y a de fortes chances qu’il fonctionne avec un signal 1080p mais pas avec un signal 4K, car sa bande passante de ligne de transmission n’est pas à la hauteur des exigences supplémentaires des flux binaires 4K. Mais avant que ce câble HDMI à 1 000 $ ne sorte de l’étagère, essayez un câble à 10 $ pour remplacer celui à 2 $, et vous pourriez être agréablement surpris.

Même le câble HDMI le moins cher peut transporter plusieurs gigabits par seconde et se moque de votre débit audio numérique dans les mégabits. Et tant que les uns et les zéros restent intacts jusqu’à l’autre extrémité du câble, cela n’a aucun sens de dépenser plus d’argent – il n’y a pas de meilleur un ou zéro.

Il se peut que certains audiophiles lisent cet article et deviennent furieux, car il est clair que je ne sais pas de quoi je parle en matière de directionnalité ou de cuivre sans oxygène, et en particulier avec des câbles secteur ou des câbles Ethernet à 1 000 $. Je leur ferai cette offre : il y a une pinte de Old Hooky dans un pub d’Oxford pour la première personne qui me prouvera que j’ai tort. Mais le niveau de preuve est assez élevé, je n’accepterai rien de tout cela « Le câble USB plaqué or sans oxygène donne une riche tonalité chocolatée à la scène sonore plus large » mumbo-jumbo. Au lieu de cela, je ferai des tests côte à côte avec un analyseur audio professionnel haut de gamme. Voyons ce que l’Audio Precision en dit, d’accord ? Je déteste refuser une vente à la très excellente brasserie Hook Norton, mais quelque chose me dit que je n’achèterai pas cette pinte de si tôt.

Nous reviendrons avec un autre dans cette série, et après avoir exploré en détail les composants d’un système audio domestique, il est maintenant temps de le regarder d’une autre manière. Comment mesurer les performances audio ?