Wha whaaaa de près

Internet regorge d’information (et de jeux de mots) sur la pédale wha wha : qu’est-ce que c’est et comment ça s’utilise [1], comment ça fonctionne [2], les circuits électriques des pédales les plus connues [3, 4]. Selon le mentor des pédales d’effet R. G. Keen [2], (je tente une modeste traduction) : “Voici ce que fait une wah – c’est un filtre passe-bande ou un filtre passe-bas surcouplé qui présente un pic de résonance juste à sa fréquence de coupure. La fréquence de résonance peut être augmentée ou diminuée par le musicien, ce qui permet une émulation frappante de la voix humaine en produisant un son «ouahh» dans un sens et «aaaouuhh» dans l’autre sens”…….

Dans cet article, nous allons décrire brièvement ce que fait une pédale wha wha, puis après avoir présenté le circuit gyrateur, nous verrons comment il est possible de fabriquer l’effet wha wha avec un tel circuit, sans inductance. Une petite vidéo de démonstration conclura ce texte.

Sommaire:
1 Que fait une pédale wha wha ?
2 Le circuit RLC
3 Le circuit gyrateur : simulation d’une inductance
4 Utilisation du circuit gyrateur dans une pédale wha wha
5 Passons au montage !
6 Conclusion

1 Que fait une pédale wha wha ?

En gros, c’est un filtre qui ne laisse passer qu’une plage de fréquence étroite dans les medium, d’où le son nasal. De plus, on peut bouger cette plage de fréquence avec le potentiomètre relié à la pédale ce qui va changer la tonalité du son et créer ce son “ouah”.

Sur la figure suivante, je représente le filtre en question, inspiré de l’article de R.G. Keen :

Figure 1 : filtre passe-bas surcouplé présantant un pic de résonnance à 1000 Hz. La double flèche verte indique ce que l'on veut dans la pédale wha wha, c'est à dire modifier la position de ce pic.
Figure 1 : filtre passe-bas surcouplé présantant un pic de résonnance à 1000 Hz. La double flèche verte indique ce que l’on veut dans la pédale wha wha, c’est à dire modifier la position de ce pic.

Sur cette figure, on voit le gain en sortie du filtre, en fonction de la fréquence. On voit qu’à 100 Hz (et en dessous), le gain est de 1, donc rien ne change. Au dessus de 10 kHz (=10000Hz) le gain vaut 0, donc les aigus sont coupés. Et au milieu, à 1 kHz, on a ce que l’on appelle une résonance. Le filtre amplifie le signal autour de 1 kHz. En vert, j’ai représenté une flèche qui indique que l’action de la pédale permet de modifier la position de ce pic de résonance selon son envie.

C’est un peu comme si vous mettiez les basses de votre ampli à 5, les aigus à 0 et montiez les mediums à 10.

Mais ce que fait en plus la pédale wha wha, c’est qu’elle peut bouger la fréquence des mediums, ce qu’un ampli basique ne peut pas…

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2 Le circuit RLC

Une manière simple de réaliser une résonance en électronique est en utilisant les trois types de composants que sont la résistance (R), le condensateur (C) et la bobine ou inductance (L). Tous trois ont un comportement différent sur le traitement du signal, notamment au niveau de la phase.

2.1 Circuit passe-bande

En montant un circuit avec ces 3 éléments en série, un circuit RLC série donc, on va réaliser ce que l’on appelle un filtre passe bande [5] :

Figure 2 : circuit RLC série.
Figure 2 : circuit RLC série.

Sur cette figure, le signal de guitare est modélisé par le générateur de tension sinusoïdale à gauche, d’amplitude Ve. Le signal est transformé par le circuit, et on le prend en sortie aux bornes de la résistance. On obtient un signal d’amplitude Vs. En fonction de la fréquence du signal d’entrée, ce signal va être atténué ou non.

Ce circuit donne lieu à une forme que l’on appelle passe-bande, car on ne laisse passer qu’une plage de fréquence qui dépend des valeurs de R, L et C. Par exemple, sur la figure suivante on laisse passer les fréquences autour de 1 kHz :

 Figure 3 : Réponse en fréquence du circuit RLC.
Figure 3 : Réponse en fréquence du circuit RLC.

2.2 Circuit passe-bas

Il est possible d’obtenir le spectre (un spectre est une représentation de l’intensité ou du gain en fonction de la fréquence) de la figure 1 en interchangeant R et C :

Figure 4 : circuit RLC série modifié. On a interchangé R et C, et cette fois-ci on prend le signal de sortie aux bornes de C.
Figure 4 : circuit RLC série modifié. On a interchangé R et C, et cette fois-ci on prend le signal de sortie aux bornes de C.

Dans une pédale wha wha, le circuit est un peu plus complexe qu’un simple circuit RLC serie, car ce dernier est passif (il ne nécessite pas d’apport d’énergie), alors que celui d’une pédale wha wha contient des transistors qui permettent d’amplifier le son, mais qui doivent être alimentés. Vous pouvez par exemple regarder le circuit de la figure 2 de la référence [2].

3 Le circuit gyrateur : simulation d’une inductance

Même si les résistances et les condensateurs ne sont pas chères et faciles à trouver, trouver une inductance avec la bonne valeur qui occupe peu de volume n’est pas toujours facile, ni bon marché. Cependant, il est possible de reproduire le comportement d’une inductance avec un amplificateur opérationnel.

Ce circuit s’appelle un circuit gyrateur et est composé d’un amplificateur opérationnel et de quelques résistances et condensateurs, comme vous pouvez la voir sur la figure suivante :

 Figure 5 : à gauche, circuit gyrateur. À droite : son circuit équivalent, d'inductance L=R1xR2xC1 en série avec une résistance R1..
Figure 5 : à gauche, circuit gyrateur. À droite : son circuit équivalent, d’inductance L=R1xR2xC1 en série avec une résistance R1.

En associant les composants de cette manière, on peut montrer que le comportement est équivalent à celui d’une inductance de valeur L=R1xR2xC1 en série avec la résistance R1. On fabrique donc ainsi une bobine avec la valeur d’inductance que l’on veut !

4 Utilisation du circuit gyrateur dans une pédale wha wha

J’ai pu trouver cette idée d’utiliser le circuit gyrateur dans une pédale wha wha dans l’excellent livre de Denton Dailey [6]. Voici le circuit électrique qu’il propose :

Figure 6 : circuit de pédale wha wha utilisant un circuit gyrateur. À droite, son circuit équivalent. D'après [6].
Figure 6 : a) circuit de pédale wha wha utilisant un circuit gyrateur. b) son circuit équivalent. D’après [6].

Que je sache, il n’y a pas de pédale wha wha commerciale qui utilise le circuit gyrateur. Par contre, ce filtre est utilisé dans certaines tables de mixage.

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Je vais utiliser ce circuit pour faire ma pédale wha wha, mais je vais y ajouter ma petite touche. En effet, le circuit proposé fonctionne en alimentation symétrique, c’est-à-dire qu’il faut alimenter l’amplificateur opérationnel avec deux piles 9 V.

Mais en utilisant ce que nous avons vu dans l’article sur l’utilisation de l’ampli op en alimentation simple, on va pouvoir adapter ce circuit pour le faire fonctionner avec une seule pile 9 V.

4.1 Circuit proposé dans cet article

Voici donc le circuit que je propose (d’après [7]), pour une alimentation simple. Le circuit gyrateur se situe autour de l’amplificateur opérationnel de gauche :

Figure 7 : mon circuit de pédale wha wha avec circuit gyrateur et alimentation avec une seule pile 9 V.
Figure 7 : mon circuit de pédale wha wha avec circuit gyrateur et alimentation avec une seule pile 9 V.

4.2 Simulation PSpice du circuit

En faisant varier la valeur du potentiomètre R4 (celui qu’actionne la pédale wha wha), on va, comme commenté plus haut, bouger la fréquence du pic de résonance. Pour le voir, j’ai réalisé une simulation PSPICE. Voici le circuit que j’ai utilisé :

Figure 8 : circuit de la figure 7 entré dans le simulateur.
Figure 8 : circuit de la figure 7 entré dans le simulateur.

Les deux amplis op sont alimentés entre 0 et 9 V. On a donc une alimentation asymétrique, que l’on palie en remontant l’entrée “+” des ampli op de 4,5 V. Pour faire cela, j’ai inséré deux générateurs de tension continue de 4,5 V (ce qui est idéalement équivalent à utiliser le pont diviseur de tension de l’alimentation dans la figure 7). Le signal de guitare est simulé par un générateur de tension alternative sinusoïdale d’amplitude 1 V.

Dans la simulation, j’ai fait varier la résistance du circuit gyrateur, nommé Rwah sur la figure 8, ou R4 sur la figure 7. Les résultats de la simulation sont les suivants :

Figure 9 : Résultat de la simulation en variant le potentiomètre de la pédale wha wha. On voit le déplacement du pic de résonance.
Figure 9 : Résultat de la simulation en variant le potentiomètre de la pédale wha wha. On voit le déplacement du pic de résonance.

On peut apprécier la figure typique d’un circuit RLC, dont la fréquence de résonance bouge avec la résistance Rwha.

Il est également possible de jouer avec la largeur du pic. Cela se fait en changeant la valeur de R3. Plus sa valeur est grande, plus le pic sera large, et moins haut, comme on peut l’apprécier sur la figure suivante. J’ai fait varier R3 de 200 à 1 kohms, en gardant Rwha égal à 1 kohms.

On observe donc une belle évolution du pic de résonance du filtre avec R3 et R4.

Le principe de fonctionnement étant démontré, passons au montage !

5 Passons au montage !

Afin de monter rapidement les composants, j’ai d’abord désigné le circuit sur un bout de perfboard, de manière à condenser un maximum les composants pour gagner de la place. Voici l’agencement que j’ai utilisé :

Figure 10 : Agencement des composants sur un bout de perfboard. La borne “+” va vers le “+” de la pile, la borne “-” vers l’interrupteur 3PDT, “GND” est la masse du circuit, les bornes indiquées “9V” et “4.5V” doivent être reliés entre elles par un fil. “IN” est l’entrée connectée au jack d’entrée, la borne “audio” se connecte au potentiomètre de sortie R2 et les bornes “wha” se connectent au potentiomètre de la pédale de volume (R4).

J’ai inséré l’ensemble perfboard/pile 9V/potentiomètres dans une vieille pédale de volume pas cher (une 20aine d’euros). J’ai utilisé un interrupteur à bascule de type 3PDT pour allumer ou éteindre l’effet, dont le câblage est le suivant :

Figure 11 : câblage de l'interrupteur 3PDT.
Figure 11 : câblage de l’interrupteur 3PDT.

Voici le résultat final. Il faut mentionner que le premier ampli op que j’ai utilisé, un tL072 a montré un problème d’oscillations. Je n’ai pas pu en trouver la raison, mais une solution, en utilisant un autre modèle d’ampli op fréquemment utilisé en audio, le NE5532P.

Figure 12 : Montage de la pédale wha wha avec circuit gyrateur.
Figure 12 : Montage de la pédale wha wha avec circuit gyrateur.

Et le résultat en image et son :

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6 Conclusion

La pédale est intéressante, on reproduit bien l’effet wha wha. Je vous laisse une autre vidéo en prime ! Si cet article vous a plu, n’hésitez pas à le partager !

Références

[1] https://www.guitariste.com/guides/pedale-wah,4535,1.html
[2] http://geofex.com/Article_Folders/wahpedl/wahped.htm
[3] http://diy.smallbearelec.com/Projects/ISeeWah/ISeeWah.html
[4] http://www.generalguitargadgets.com/how-to-build-it/technical-help/schematics/
[5] http://ressources.unisciel.fr/TraitementDuSignal/Semaine03/co/module_Semaine03_8.html
[6] Denton J. Dailey, Electronics for guitarists, Springer
[7] olivierjambois.com

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