SISTEMI DA CARICO PER ALTOPARLANTI – Di Alberto Bellino - 2004

Prefazione :   Io sono senza parole ......... secondo me si sta  facendo un lavoro a dir poco eccezionale , con il vostro aiuto e in questo caso specifico con l'auto di Alberto Bellino vengono  divulgate esperienze , informazioni , insomma un patrimonio  per tutti ....     e io sono felicissimo di rendermi promotore di tutto questo.

A seguito dell'uscita del libro sull'autocostruzione di Alberto  abbiamo deciso di pubblicare una serie di articoli che aiutino  tutte le persone e sopratutto i possessori del libro, a comprendere meglio il  mare di informazioni contenute nel libro , con l'ausilio di questi esempi.

Verranno pubblicati articoli con spiegati tutti i sistemi di propagazione del suono in ordine come sul libro.

Iniziamo dal Dipolo.

Un consiglio , comperate il libro , avrete una manuale  indispensabile che vi seguirà per una vita intera ... e avete la fortuna di avere l'autore  qui  online che può rispondere alle vostre domande in una sezione del forum .... non penso che sia una occasione  che capita  sempre....

APPLICAZIONE PRATICA N°3

Applicazione della routine di calcolo riguardante il capitolo “La cassa chiusa” (pag. 24-28 ):

PROPOSTA PER L’AUTOCOSTRUZIONE DEL DIFFUSORE “ THE GENTLEMAN” – Sistema a due vie bookshelf in sospensione pneumatica e crossover del I ordine.

A differenza delle altre volte, in cui ho proposto un esempio pratico generico per applicare la routine di calcolo relativa ad un argomento contenuto nel testo, per la cassa chiusa vi voglio proporre un progetto completo, di semplice realizzazione, di dimensioni contenute e di modesto costo, ma capace di ottime prestazioni sonore e dinamiche, in cui saranno contenute e motivate  tutte le scelte progettuali, tese al raggiungimento delle massime performance ottenibili da un progetto assai semplice ed economico. In particolare, saranno utilizzati molti degli accorgimenti costruttivi il più delle volte tralasciati nei progetti per autocostruzione ma spesso impiegati nei diffusori commerciali di successo del passato.

Lo stile del diffusore è un poco retrò, o se volete “old-fashion”, con un frontale mediamente più largo dei minidiffusori oggi in voga, e con un modesto sviluppo in altezza e soprattutto in profondità, perciò, anche grazie al sistema di carico poco “invasivo”, sarà possibile sistemare il diffusore su stand ma anche su di un ripiano in libreria, magari coricato su un fianco, come se ne vedono ancora molti tutt’oggi.

Vediamo insieme quali sono le caratteristiche del progetto :

• Sistema a due vie caricato in sospensione pneumatica

• Midwoofer Monacor SP-150, da 6,5” (170 mm), cono in PP bianco

• Tweeter Monacor DT-101SK, da 25 mm, con camera posteriore, a bassa Fs

• Impedenza nominale 8 Ohm

• Efficienza media ( 100Hz – 10KHz ) 89 dB

• Gamma di frequenze utili ( +/- 6 dB ) 60Hz – 22000 Hz

• Potenza applicabile 30W RMS

• Par a 70 Hz ( F3 ) 95 dB con 4W di ingresso

• Crossover Butterworth del I ordine con comp. dei livelli e dell’impedenza

Passiamo ora ad una disamina tecnica dei trasduttori utilizzati e del crossover.

MONACOR SP-150.

E’ un midwoofer con caratteristiche universali. E’ un oggetto che conosco piuttosto bene, avendolo impiegato in passato in altri progetti. Piuttosto anziano, è in listino da parecchi anni, per cui, se si è deciso di lasciarlo in produzione per tutti questi anni, vuol dire che il progetto originale è senz’altro valido. Ha una spessa flangia di plastica, che rende quasi impossibile porlo a filo del pannello frontale e un cono di piacevole polipropilene bianco, che ricorda il midwoofer impiegato nei famosi monitor passivi da studio Yamaha NS. La risonanza è intorno ai 40 – 45 Hz, come si evince dal grafico della risposta-impedenza sul catalogo Monacor, mentre il Qts è circa 0,5, per cui è preferibile utilizzarlo in sistemi chiusi, visto anche la sospensione molto cedevole, 1,56 mm/N la quale porta ad avere un Vas di circa 35 litri.

Un trasduttore del genere, non è particolarmente sensibile, ma bene si presta ad essere utilizzato in una configurazione ermetica come quella che andremo a realizzare. Ha bisogno di qualche watt per essere ”mosso” al meglio, ma ripaga l’ascoltatore con una risposta in frequenza estesa e lineare e facilita la realizzazione del filtro crossover.

MONACOR DT-101SK.

Tweeter sopraffino, dotato di un suono delicato e gradevole, grazie alla camera posteriore, ha una risonanza molto bassa ( 900 Hz ) per cui risulta facile incrociarlo molto in basso, grazie anche ad una buona tenuta in potenza e ha una escursione che per un tweeter non è male ( +/- 0,25 mm). Piuttosto efficiente, ha bisogno mediamente di essere attenuato per realizzare l’incrocio con un woofer e dotato di una risposta lineare senza picchi, soprattutto ad alta frequenza.

FILTRO CROSSOVER. Ovviamente da autocostruire. Molto semplice, è un Butterworth del primo ordine con frequenza di incrocio a 2400 Hz. La frequenza di incrocio è stata scelta a tale valore per tre ragioni :

1)     OFFSET VERTICALE : La distanza tra i centri acustici dei trasduttori è giocoforza limitata dalla dimensione delle flangie dei due a 140 mm il che comporta una frequenza di incrocio max di 345000/L = 2400 Hz, oltre insorgerebbe uno sgradevole effetto acustico che farebbe avvertire chiaramente il distacco di emissione tra i due trasduttori.

2)     Fs TWEETER : La risonanza della cupolina del tweeter è a 900 Hz circa, per cui vige la regola aurea di realizzare un filtro passaalto con F3 di non meno di un’ottava superiore a Fs. La regoletta, però è solitamente riferita ad un filtro del II ordine elettrico, mentre noi andremo a realizzare un filtro del I ordine, per cui dovremmo salire di un’ulteriore ottava, o almeno avvicinarci a tale valore, per non sovraccaricare il tweeter con frequenze eccessivamente basse, limitandolo così in tenuta in potenza e portandolo ai suoi limiti meccanici, con conseguente aumento della distorsione.

3)     LIMITE SUPERIORE DI RISPOSTA POLARE DEL MIDWOOFER : Osservando la risposta dell’SP-150 possiamo osservare un andamento molto lineare e presente fino a circa 5 KHz, a parte un break-up a circa 3,5 KHz, facilmente “limabile” con una cella RLC. Il grafico è però riferito alla risposta in asse del trasduttore e non tiene conto del restringimento polare a frequenza superiori a 2 KHz. Gia solo a 30° la risposta in frequenza sarà molto più limitata, mentre a 45° le frequenze oltre i 2KHz saranno fortemente attenuate. Per fissare un limite superiore di funzionamento di un midwoofer, oltre che naturalmente ad una misurazione con un fonometro o una scheda CLIO, si può fare riferimento alla tabella sottostante, la quale fissa i limiti a -3dB e a -6 dB per differenti diametri di woofer impiegati :

Una seconda opzione, consiste nel verificare la frequenza del passabasso scelta con il sottostante diagramma polare orizzontale il quale mostra la banda passante utile in funzione della direttività :

Una terza opzione, consiste nell’utilizzare la formuletta del Beranek relativa al limite di direttività, a pag. 11 del mio testo :

F= ( 3 x C ) / ( 6,28 x a ) = 1035000 / ( 6,28 * 65 ) = 2535 Hz

Con C, velocità del suono=345000 mm/sec / a, raggio del cono dell’altoparlante in mm.

Bene, dimostrata la validità della frequenza di crossover scelta, andiamo ad analizzare i componenti impiegati :

Sul woofer, troviamo la solita induttanza in serie, vero elemento filtrante, che lavora su di un carico pressoché resistivo dai 200Hz in su, grazie alla presenza di una cella RC serie, posta in parallelo al midwoofer.

Sul tweeter , troviamo una resistenza di attenuazione di elevato valore, per allineare il livello di emissione del tweeter con il woofer, ma bypassata da un piccolo condensatore, il quale fa si che le frequenze superiori a 12KHz, non siano attenuate, poiché esse sono responsabili dell’ambienza, delle sfumature musicali che ricostruiscono la scena sonora e, che, se assenti o troppo attenuate, appiattiscono il suono del diffusore il quale non è più in grado di riprodurre al meglio “l’aria” attorno agli strumenti o le armoniche della voce femminile, delle corde della chitarra o del “ride” della batteria ecc..

L’innalzamento del livello di 4-5 dB oltre i 12 KHz non deve assolutamente preoccupare, in quanto, a queste frequenze l’orecchio umano è assai poco sensibile ad eventuali picchi di risposta.

Di seguito, troviamo il condensatore da 10 uF in poliestere o polipropilene, il quale è il vero elemento filtrante. Nulla più.

Ricordo che il Butterworth del primo ordine è un filtro a fase minima, ovvero ruota la fase del minore grado possibile e mostra una magnitudo, ovvero una somma tra l’emissione dei due trasduttori all’incrocio piatta, pari a zero, sia a polarità normale che invertita.

E’ l’ideale per le applicazioni HIFI più prestigiose, a patto che i trasduttori possano lavorare agevolmente con un livello di attenuazione limitato.

Passiamo ora ad esaminare le scelte progettuali del cabinet.

Volumetria e rapporti dimensionali del mobile. Per prima cosa, visto la relativa piccola dimensione del woofer impiegato, delle piccole dimensioni del mobile stesso, circa 9,5 litri senza assorbente e del sistema di carico scelto, la sospensione pneumatica che, a parità di volume, ha minore potenza acustica rispetto ad un sistema bass reflex, ho ritenuto di fissare il Qtc del sistema pari ad uno, realizzando così un allineamento Chebyschev, il quale, a fronte di una leggera ondulazione positiva di risposta ( ripple ) e di uno smorzamento inferiore, permette la massima efficienza del sistema e i massimi valori di Kp o costante specifica di potenza, direttamente responsabile della Par o massima potenza acustica senza apprezzabile distorsione ( pag. 28 del mio testo ).

Il Qtc pari ad uno, comporta appunto la realizzazione di un box di 9,7 litri, nel quale l’intero volume è occupato da poliuretano espanso, con l’ultimo foglio, quello su cui irradia direttamente il woofer, con superficie bugnata od a cunei. Il suddetto riempimento rallenta la velocità dell’aria all’interno del box, facendo aumentare il volume interno di circa il 30%, facendo così vedere al midwoofer un volume pari a circa dodici litri e mezzo, necessari per ottenere il Qtc desiderato. La risonanza del midwoofer passa da circa 45 Hz in aria libera a circa 88 Hz nel box, mentre la F3 è intorno ai 70 Hz, un risultato niente male per un piccolo diffusore bookshelf in cassa chiusa. Si possono agevolmente calcolare tali valori utilizzando le formule di pag. 26 e 27 o la tabella rapida di pag. 25. Inoltre con l’allineamento C2 scelto, si può calcolare velocemente Fc ed F3 poiché Fc è pari al doppio di Fs woofer ed F3 è pari a Fs x 0,786.

Qui sotto la schermata di EURES con tutti i parametri descritti e molto di più!

Parlavamo prima di ripple che caratterizza l’allineamento C2, ebbene esso è contenuto in circa 1,5 dB, con il massimo a 120 Hz. Il rendimento del sistema è di circa lo 0,5 percentuale, il che comporta un’efficienza di 89 dB, per cui il diffusore dovrà essere pilotato con almeno una decina di watt per esprimersi al meglio.

Parametro da tenere sempre sott’occhio nelle sospensioni pneumatiche è l’escursione del cono, il quale non deve essere mai superiore a Xmax woofer a qualsiasi frequenza. Nel nostro diffusore, osservando il grafico sottostante, l’escursione si mantiene entro Xmax woofer a tutte le frequenze riproducibili, per cui nessun patema d’animo per l’integrità del midwoofer.

I rapporti dimensionali scelti, corrispondono alle indicazioni fornite da Thiele, al fine di contenere al massimo le risonanze modali all’interno del box. Sono i rapporti dimensionali utilizzati anche per la costruzione dei locali di ascolto e auditorium, ma oggigiorno assai poco impiegati nella realizzazione dei diffusori, poiché essi sono quasi tutti con frontale stretto e con uno sviluppo particolare in profondità. Da qui nasce la necessità di utilizzare sistemi diversi per contenere le riflessioni interne, come pannelli incurvati o non-paralleli, risonatori interni, particolari setti di irrigidimento ecc..

Qui, invece, si è scelto la strada più semplice ed economica, cioè rapporti dimensionali acusticamente corretti ( rapporto larghezza,/altezza/profondità pari a 2,6/1,6/1 ), uniti ad uno spessore del legno giusto ( MDF da 19 mm ), ed a un riempimento totale dell’interno del diffusore. Quest’ultimo, è molto più importante ed efficace, ai fini del contenimento delle onde stazionarie interne, che tutti i setti interni possibili o a strane forme non parallele del mobile.

Diffidate da chi realizza diffusori con forme particolari tipo strumento musicale : il diffusore è un utensile sonoro, non uno strumento, in quanto deve solo riprodurre un evento, non crearlo dal nulla e dargli un particolare timbro, come invece fanno gli strumenti !

Naturalmente vi consiglio dopo l’incollaggio, di passare una mano di antirombo all’interno del box, è sempre un buon smorzamento dei pannelli ed è di semplice applicazione.

Di seguito, fornisco i piani costruttivi del mobile:

Vediamo ora come si è potuto fare fronte al contenimento delle diffrazioni del mobile e dei trasduttori. Per prima cosa, si dovrebbero eliminare tutte le sporgenze dal baffle anteriore del cabinet, per cui niente griglia, tenete al sicuro il diffusore da gatti o bambini !

La forma ideale per il contenimento delle diffrazioni sarebbe la sfera ma a livello di autocostruzione, sarebbe improponibile realizzare un diffusore sferoidale.

Da uno studio realizzato su varie forme di cabinet, dopo la sfera pare che sia il parallelepipedo con gli spigoli smussati la forma che meno produce effetti di diffrazione e variazioni nella risposta del diffusore. Da evitare assolutamente, a meno che non si stia realizzano un sistema R.J. il cubo, il quale produce variazioni di risposta anche di +/- 5 dB.

Naturalmente, più raggiati sono gli spigoli meglio sarebbe, ma per ovvi motivi strutturali, lo smussamento non può essere molto grande, anche impiegando spessori del legno maggiori.

Un semplice metodo per evidenziare la superficie di smusso sta nel disegnare sul top e sul fondo, all’intersezione dei pannelli un cerchio di diametro doppio dello spessore del legno del cabinet e smussare lo spigolo seguendo la circonferenza disegnata dal cerchio, come mostrato nella figura sottostante :

Nel disegno all’inizio dell’articolo, ho evidenziato il solo smusso degli spigoli laterali, mentre sarebbe consigliabile smussare anche almeno lo spigolo superiore del baffle.

Un secondo accorgimento, sta nel porre il tweeter incassato, a livello del baffle frontale, cioè con la flangia incassata completamente nel frontale.

Ho menzionato solo il tweeter poiché il woofer si trova a lavorare a frequenze sempre inferiori alle frequenze di diffrazione del baffle. Le variazioni di risposta infatti, sono il risultato della riflessione del baffle, il quale tende a produrre un fenomeno di intensificazione sonora in quelle frequenze dove la lunghezza d’onda è equiparabile alle dimensioni fisiche del baffle.

Per capire meglio il fenomeno, osserviamo la figura sottostante :

In pratica, la simulazione rende al meglio utilizzando una sorgente sonora puntiforme, per cui il classico tweeter a cupola ci si avvicina molto.

Possiamo notare come gli spigoli del diffusore, se vivi, si comportino come sorgenti sonore aggiuntive al tweeter, e il loro suono arrivi in ritardo rispetto all’emissione diretta, causando una certa quantità di confusione e delocalizzazione dell’evento sonoro.

Osserviamo ora la figura sottostante :

Possiamo osservare come la flangia stessa del tweeter crea una diffrazione che viene riflessa dal baffle stesso e come lo stesso baffle, dal suo spigolo, crea una nuova sorgente la quale viene riflessa dalla parete retrostante al diffusore.

Da qui si evince l’importanza di porre a filo del baffle la flangia del tweeter e di smussare adeguatamente gli spigoli vivi del baffle.

Un altro accorgimento sta nel porre il tweeter in posizione decentrata rispetto alla mezzeria verticale del baffle. In questo modo le emissioni perniciose classificate in figura come E e B non si possano sommare come invece avverrebbe se il tweeter fosse posto nella mezzeria verticale del diffusore. Ma si può fare di più : posizionando adeguatamente il tweeter, si può fare in modo che le frequenze di diffrazione non siano mai multiple l’una dell’altra e che vadano il più possibile a cadere a frequenze superiori ai 10 KHz, dove l’orecchio diventa assai meno sensibile a eventuali “perturbazioni” della risposta in frequenza.

Di seguito, sono descritte le frequenze di diffrazione scelte per il nostro diffusore :

La sola diffrazione che potrebbe essere fastidiosa è quella dello spigolo destro, situata a 5 KHz, ma perlomeno essa diventa multiplo di quella sinistra o di quella dello spigolo superiore.

Nella figura sottostante, sono evidenziati i principali metodi di contenimento delle diffrazioni sonore relative ai diffusori acustici:

Noi, abbiamo preso in considerazione i metodi A e B relativi al nostro diffusore. In figura C viene mostrato come potrebbe essere assai utile rivestire di materiale assorbente l’intera superficie del baffle, il quale si comporta come un faro di automobile, intensificando l’effetto riflettivo nell’ascolto in asse, mentre fuori asse l’effetto diffrattivo diventa minore.

In figura D1 viene posto un secondo tweeter, sul pannello posteriore della cassa. In questo modo, l’emissione media e acuta diventa dipolare ( o bipolare ) e il diffusore funziona in regime di campo riverberato. In termini di risposta in ambiente, i fenomeni di diffrazione tendono ad essere normalmente in parte sommersi dal campo di riverbero, per cui aumentando il campo di riverbero, gli effetti di diffrazione potrebbero essere completamente “mascherati”. Invece la figura D2, più “purista”, mostra, laddove è possibile ( moglie permettendo! ) un rivestimento sia per il baffle frontale che per la parete retrostante il diffusore, la quale potrebbe assorbire completamente la riflessione della diffrazione della cassa.

Bene, direi che la disamina tecnica sul diffusore si possa concludere, qui, vi ricordo di mantenere precise le quote del disegno, di utilizzare MDF da 19 mm di spessore per tutti e sei i pannelli del diffusore mentre per il pannellino da incollare sul baffle per porre a filo il tweeter, si può utilizzare del compensato da 3-4 mm, facilmente reperibile nei negozi brico-fai da te.

Il materiale assorbente anch’esso è facilmente reperibile, vi consiglio di utilizzare il poliuretano espanso, un po’ costoso ma molto efficace. Per il resto, incollaggi robusti con colla vinilica o simile e una bella mano di antirombo all’interno. Come finitura superficiale, vi lascio ai vostri gusti personali, a me piacerebbe tutto nero, il quale “stacca” con decisione sul cono bianco dell’SP-150 e belle punte color acciaio sottostanti, che appoggiano su stand di legno e marmo, che ne dite!?

Come sempre, vi informo che il diffusore, per ora non è stato fisicamente realizzato, ma rimane una proposta dedicata agli autocostruttori, i quali spero prendano in seria considerazione l’idea di realizzarne una copia, per saggiare le potenzialità che il progetto può esprimere.

Buon lavoro da Alberto e buona lettura del testo       audiojam@libero.it

Torna alla pagina iniziale