MIDWOOFER D165PFB01

 Progettato e realizzato da Enrico Priami su specifiche di Alberto Bellino.

In esclusiva per www.audiocostruzioni.com

Di Alberto Bellino  -  2006

Parte prima

 Di cosa si tratta

Componente particolare + proogetto

Chi lo ha costruito

Alberto Bellino – audiojam@libero.it

Enrico Priami – enricopriami@yahoo.it

Era da parecchio tempo che pensavo che mi sarebbe piaciuto realizzare un semplice diffusore chiuso, a prima vista molto tradizionale, un sistema da pavimento a due vie di dimensioni medio-piccole, con caricamento della gamma bassa in baffle infinito, un sistema oramai giudicato poco interessante e tecnicamente obsoleto.

Perché proprio il baffle infinito ? Perché giudico tale principio di carico assai “fisiologico” per l’udito umano, in grado di riprodurre la gamma bassa in maniera assai realistica, priva degli “eccessi” e degli “effetti” spesso presenti nei sistemi accordati ma, talvolta pure nei box chiusi in sospensione pneumatica, sistema che rappresenta la naturale evoluzione proprio dei vecchi sistemi in baffle infinito.

Per entrare meglio nel merito del discorso occorre fare chiarezza tra i sistemi denominati in baffle infinito e quelli in sospensione pneumatica. In entrambi i casi, nella pratica si tratta di montare un altoparlante con la faccia posteriore rivolta in un box chiuso ben sigillato, per cui è molto facile confondere tra loro i due sistemi.

Chiariamo subito una questione : il termine “sistema di carico” rivolto al il baffle infinito è tecnicamente errato, o quantomeno usato in maniera impropria. Nella teoria il baffle infinito viene rappresentato da un pannello di dimensioni tali da poter efficacemente schermare la radiazione posteriore dell’altoparlante da quella anteriore fino alla frequenza di zero hertz, per cui l’unico modo per ottenere un qualcosa di simile sarebbe montare un woofer su di un muro perimetrale della casa! Nella realtà invece si considera un sistema caricato acusticamente in baffle infinito come la combinazione tra uno o più woofer ed un box di dimensioni tali che l’aria entrocontenuta in esso non abbia effetti rilevanti sui parametri del woofer in bassa frequenza ma che il cabinet sia in grado di assorbire la radiazione posteriore, annullandola.

In realtà nel baffle infinito non si carica affatto la membrana in bassa frequenza ma, come per il dipolo a pannello, ci si occupa solamente di schermare l’emissione anteriore da quella posteriore, senza però incappare nel corto-circuito acustico tipico dei sistemi parzialmente o completamente aperti posteriormente.

Invece, se parliamo di sospensione pneumatica, ci viene in aiuto proprio il termine con cui tale sistema viene apostrofato per farci comprendere il principio di funzionamento. L’aria entrocontenuta nel cabinet agisce come una sospensione addizionale, frenando il movimento del cono e spostando verso l’alto i parametri elettrici del woofer. Anche in questo caso il cabinet si occupa di annullare la radiazione acustica della faccia posteriore del diaframma vibrante ma ora la massa d’aria nel cabinet ha un ruolo determinante nelle prestazioni acustiche ottenibili in bassa frequenza.

Prima ho definito il baffle infinito un sistema maggiormente fisiologico rispetto alla sospensione pneumatica. Vorrei motivare questa mia definizione, in realtà arbitraria e opinabile quanto si vuole ma enunciata su basi assolutamente non ignorabili.

Il baffle infinito, rispetto alla sospensione pneumatica è un sistema tecnicamente più semplice poiché risulta essere definito da due soli fattori : il driver e il box, mentre l’aria in esso contenuta può essere omessa. Invece nella sospensione pneumatica troviamo tre fattori : il driver, il cabinet e la massa d’aria in esso contenuta. Se vale la regola in cui sistemi semplici sono da preferire rispetto a sistemi maggiormente complessi e che ogni elemento aggiunto ad un sistema determina un certo fattore di rischio e di indeterminabilità, allora possiamo dire che il baffle infinito parte con un certo vantaggio.

Inoltre la massa di aria  contenuta nel box non possiede un comportamento perfettamente lineare. Vi sono piccole differenze tra la fase di espansione e quella di compressione adiabatica da parte del driver che, sebbene alcuni studiosi le abbiano sempre definite piuttosto innocue, celano sempre un elemento in più di errore aggiunto.

Nella sospensione pneumatica, il driver per le note basse viene costruito per funzionare con l’ausilio della molla d’aria presente nel box. E’ quindi un driver ”imperfetto”, il quale, per operare correttamente ha bisogno di un elemento estraneo aggiuntivo, l’aria appunto.

Nel baffle infinito invece, il driver potrebbe tranquillamente funzionare in aria libera ( accettando il corto-circuito acustico ovviamente ) e i suoi parametri devono giocoforza essere “giusti” in partenza,  poiché nessun ausilio pneumatico viene adoperato per ottenere variazioni.

Il maggior vantaggio della sospensione pneumatica, innegabile a dire il vero, sta nel fatto di poter rimpicciolire di molto le dimensioni del box, rispetto ad un sistema in baffle infinito, ed ottenere le stesse prestazioni dinamiche in bassa frequenza. Però vi è pure da dire che, solitamente i piccoli box sono completamente riempiti di assorbente, mentre i sistemi più grandi possiedono il cabinet solamente rivestito internamente di assorbente acustico. A parità di frequenza di risonanza, un box piccolo e farcito di assorbente, produrrà una pressione sonora inferiore e una estensione leggermente minore in gamma bassa rispetto che un box più grande e solamente rivestito al suo interno. Per contro la perdita in SPL è mitigata dal fatto che un box piccolo possiede un baffle frontale di minori dimensioni e quindi offre un minore carico d’aria aggiunto alla membrana.

Ma quando un sistema acustico può essere definito come operante in sospensione pneumatica e quando in baffle infinito ? La teoria classica che tutti voi potete leggere sui testi afferma che un sistema è da ritenersi in sospensione pneumatica quando il coefficiente alfa, ovvero il rapporto tra il Vas del driver e il volume effettivo d’aria contenuto nel box è pari o superiore a tre. Per fare un esempio, se possediamo un woofer caratterizzato da un Vas pari a 60 litri, se poniamo tale driver ad operare in un box di 15 litri possiamo considerare il sistema come una sospensione, mentre se portiamo la volumetria del box a 30 litri, il sistema può essere considerato come un baffle infinito.

Tale affermazione è da ritenersi profondamente errata e vi vorrei spiegare il motivo. Un coefficiente alfa pari a tre, il quale traccia il confine tra i due sistemi, provoca un raddoppio della frequenza di risonanza e del fattore di merito del driver, quindi una loro variazione del 100%. Tale variazione è da considerarsi enorme, per cui se poniamo alfa pari a due, ovvero in teoria operiamo in regime di baffle infinito, la variazione nei parametri fondamentali alle prestazioni del sistema in bassa frequenza sarà ancora del 73% ! Quindi se la teoria afferma che l’aria entrocontenuta in un box di un sistema operante in baffle infinito dovrebbe avere un effetto assolutamente trascurabile sui parametri del driver, mi chiedo come una variazione così grande possa essere considerata marginale.

Secondo il mio modesto parere, un sistema in baffle infinito, per essere considerato ragionevolmente tale, dovrebbe essere caratterizzato da un coefficiente alfa molto inferiore all’unità ( per alfa pari ad uno si ottiene ancora una variazione dei parametri del 41% ). In questa maniera la variazione sarebbe contenuta al di sotto del 10-15 %, ovvero potrebbe addirittura rientrare nelle tolleranze tipiche tra driver. In questo caso allora si potrebbe ragionevolmente affermare che l’aria nel box assume un comportamento realmente trascurabile nel computo dei parametri del sistema.

Bene, se non vi ho annoiato troppo finora e avete avuto la pazienza di seguirmi fino a qui, iniziamo a parlare del midwoofer D165PFW01. Tale midwoofer è stato pensato e realizzato per l’impiego in baffle infinito. A prima vista, dalle foto, col suo aspetto dimesso e abbastanza tradizionale, potrebbe sembrare un prodotto abbastanza economico  e poco innovativo e difatti è proprio così ! In questo driver sono stati volutamente scartate soluzioni particolarmente complesse, d’effetto o rivolte all’estetica del prodotto, mentre tutti gli sforzi progettuali e realizzativi sono stati concentrati per ottenere le prestazioni previste in sede di progetto e in ambito operativo ma potendo mantenere l’impegno di acquisto giusto per tutte le tasche. Non è troppo difficile proporre un altoparlante di elevate prestazioni e grande qualità globale, basta pagarne il giusto prezzo, assai più difficile risulta offrire un prodotto eccellente in tutti i parametri necessari al corretto funzionamento e contenere i costi in maniera ragionevolmente giusta.

Vista di tre quarti posteriore, particolare del potente gruppo magnetico.

Iniziamo quindi ad analizzarne l’aspetto esteriore e le singole parti che lo compongono.

Il cestello è in solida lamiera stampata, piuttosto spessa in verità, sufficientemente sordo e aperto per uno sfogo dell’aria corretto. Il magnete ha il polo entrale pieno ed è di rassicuranti dimensioni. Il diaframma,  realizzato in polimero plastico, possiede un profilo leggermente esponenziale ed è trattato con un particolare lattice smorzante, ricetta esclusiva e segreta di Enrico, che ne ottimizza il comportamento in gamma media e mediobassa. La sospensione esterna è in sottilissima gomma mentre lo spider appare molto robusto e rigido. Le trefole di collegamento elettrico tra bobina mobile e morsetti sono fissati sullo spider mediante punti metallici. In questa maniera il diaframma non viene forato e non sostiene il peso dei cavi di collegamento, inoltre si scongiura rumorosità date dal contatto indesiderato delle trefole contro il retro del diaframma quando quest’ultimo vibra in maniera sensibile. La bobina mobile è da 25mm di diametro e avvolta su supporto non conduttivo. Il tra ferro è molto contenuto e l’escursione lineare piuttosto generosa. Un particolare rifasatore ad ogiva realizzato in legno è ottimamente fissato sul polo magnetico e permette un ottimale sfogo dell’aria contenuta tra diaframma e polo magnetico.

particolare della membrana e dell’ogiva rifasatrice in legno.

Sebbene, come è stato appena detto, tale requisito non è stato preso in considerazione come un  elemento principale, io personalmente trovo l’estetica di tale prodotto molto interessante. Il cono semitrasparente “stacca” assai bene cromaticamente con la nera sospensione e con il legno dell’ogiva. Perdonatemi la divagazione e andiamo avanti.

Dopo una prima analisi del driver andiamo ora ad approfondire le sue caratteristiche, alcune delle quali ho espressamente richiesto, altre consigliandomi anche con Enrico su alcuni parametri, data la sua esperienza, ne è scaturito un altoparlante dalle caratteristiche che ritengo assolutamente da adottare per ottenere un driver dalle prestazioni “definitive” quando questo viene posto ad operare nel corretto sistema di carico acustico, ovvero il baffle infinito ( almeno in questo caso, tutti i sistemi di caricamento sono corretti, almeno in teoria ! ) e quando questo sistema viene impiegato in ambito domestico, ovvero in ambienti piuttosto piccoli ( meno di 30mq ) e con potenze piuttosto limitate.

1. ELEVATO Qms :

Un elevato valore di Qms o fattore di merito meccanico è riconducibile a limitate perdite per attriti meccanici dell’equipaggio mobile. Tale parametro non è necessario per il dimensionamento del box acustico, quindi, a volte la sua importanza può passare in secondo piano. In realtà un elevato Qms è spesso garanzia di ottime performance sonore in gamma mediobassa e media. In particolare ne giova la definizione e la precisione della gamma mediobassa e la sua corretta separazione da quella più grave. Essendoci poche perdite per attriti, le microinformazioni sonore ed il dettaglio non subiscono impoverimenti di sorta. L’elevato valore di Qms provoca quindi una limitata Rms o resistenza cinetica delle sospensioni del cono e viene ottenuto grazie soprattutto al supporto non conduttivo su cui la bobina mobile viene avvolta. Infatti, nella stragrande maggioranza dei driver presenti in circolazione, il supporto della bobina è costituito da alluminio. Tale scelta viene motivata dai costruttori dall’elevata capacità dell’alluminio di smaltire il calore prodotto dall’avvolgimento eccitato ma, essendo il supporto di materiale metallico e quindi conduttivo, esso si comporta come una spira in costante cortocircuito.

In realtà l’utilizzo dell’alluminio in campo commerciale come supporto ideale per la bobina viene motivato dal fatto che le aziende produttrici di altoparlanti devono giocoforza dichiarare elevate potenze termiche sopportabili per i loro prodotti ( attenzione : ho detto potenze TERMICHE, non dinamiche! ), altrimenti essi non risultano facilmente “vendibili” ed interessanti per l’acquirente medio. Chi acquisterebbe un midwoofer di qualità dove il  costruttore dichiarerebbe una potenza termica di soli 20-30 Watt ? Penso assai poche persone, ma gli autocostruttori più smaliziati hanno capito da tempo che, nella stragrande maggioranza dei casi, la potenza gestibile da un midwoofer è quella DINAMICA, quindi determinata dalle capacità di escursione in bassa frequenza del diaframma vibrante e definita dal suo sistema di carico acustico per le basse frequenze. A 50 Hz bastano pochi watt per giungere ai limiti operativi di un midwoofer da 17 cm mentre a 1000Hz esso potrebbe “digerire” tranquillamente una cinquantina di watt.

Il nostro midwoofer D165PFB01, con il suo supporto in cartoncino, può sopportare alcune decine di watt termici senza che la sua bobina subisca danni, ma possiede limiti DINAMICI molto elevati, grazie all’attenta progettazione dell’equipaggio mobile e del suo spider. Il Qms è superiore a 10 contro i valori medi di 2,5 – 3 che normalmente si riscontrano nei driver con supporto bobina conduttivo,. Ciò porta ad una riproduzione della gamma mediobassa e media caratterizzata da potenza e definizione superiori a quasi tutti i prodotti commerciali di pari prezzo e dimensioni presenti sul mercato.

2. PARTICOLARE COSTRUZIONE DEI POLI MAGNETICI :

Nel D165PFB01 troviamo una  espansione polare particolare, la quale garantisce una superiore costanza nei parametri elettrici del driver al variare della posizione di lavoro della bobina mobile, quindi una garanzia di corretto funzionamento anche in presenza di elevate escursioni dell’equipaggio mobile in bassa frequenza e ad elevati livelli di emissione, Enrico mi garantisce che la variazione dei parametri elettromagnetici è praticamente inesistente su tutta l’escursione dichiarata nelle caratteristiche dell’altoparlante, discostandosi di molto poco oltre il valore di escursione nominale. Inoltre, la costruzione di questa particolare espansione polare contribuisce alla diminuzione del tasso di distorsione armonica e di intermodulazione.

3. ELEVATO SMORZAMENTO MECCANICO :

Nel baffle infinito lo smorzamento pneumatico è, come abbiamo visto prima parlando a proposito delle differenze tra sospensione e baffle infinito, praticamente nullo per cui il driver deve possedere una capacità di smorzamento meccanico dei suoi movimenti molto elevata. In particolare, il driver dovrebbe gestire la potenza immessa in modo assolutamente autonomo, grazie ad uno spider piuttosto rigido e ad una accurata progettazione del cono e del gruppo magnetico.

Nel D165PFB01 la voluta limitata cedevolezza dell’equipaggio mobile viene garantita dal solido spider mentre la sospensione esterna, di finissima gomma, mantiene centrato il cono e provvede alla tenuta d’aria. Grazie alla rigidezza dello spider, il Vas è molto contenuto, di conseguenza la volumetria del box necessaria a ricavare il giusto valore per un corretto e reale funzionamento in regime di baffle infinito garantisce pressioni molto contenute all’interno del box chiuso.

4. CONO A MORBIDEZZA CONTROLLATA REALIZZATO CON UN COMPOSITO DI POLIMERI :

Il cono in composito di polimeri del nostro driver è stato realizzato seguendo una strada diversa da quella seguita dalla maggioranza dei costruttori di altoparlanti. Solitamente si cerca di realizzare diaframmi particolarmente rigidi per approssimare al meglio il comportamento dello stesso come fosse un pistone rigido. In bassa frequenza il sistema funziona ma con la controindicazione di spostare le inevitabili distorsioni armoniche che ogni driver produce a frequenze elevate, generando una colorazione “fredda” e particolarmente pungente della gamma media. Il nostro driver invece possiede un diaframma vibrante a morbidezza controllata su cui viene posto uno speciale trattamento mediante un apposito lattice smorzante il quale produce principalmente distorsione di seconda e di terza armonica non enfatizzando le armoniche superiori. In questa maniera la colorazione del suono assume la caratteristica di donare calore e morbidezza armonica alla riproduzione senza inficiare la gamma media riprodotta.

Per capire meglio quanto è stato appena detto proviamo a fare un esempio classico : stiamo ascoltando un coro di dieci uomini, tutti che stanno cantando lo stesso motivo. Uno di loro è abbastanza “stonato” ma, siccome le voci hanno più o meno le stesse caratteristiche e lo stesso livello, lo stonato viene coperto dagli altri nove cantanti e la sua imperfezione canora non può dare troppo fastidio.

Sostituiamo ora lo stonato maschio con una stonata femmina soprana, la quale canta lo stesso motivo ma traslato in alto di due ottave. State tranquilli che farete caso solamente alla signora stonata la quale, con i suoi strilli guasterà il risultato dell’intero coro !

5. OGIVA RIFASATRICE IN LEGNO

L’ogiva presente nel midwoofer D165PFB01 realizzata in legno al tornio, contribuisce a migliorare la dispersione delle medie frequenze, spesso un vero e proprio “tallone d’Achille” per molti midwoofer. Il legno risulta un materiale adatto a tale realizzazione, poiché assai meno risonante del metallo con cui si è soliti realizzare tali oggetti sui prodotti commerciali e dona un tocco di particolarità alla realizzazione.

6. NOTEVOLE LINEARITA’ CON RELATIVA ESTENSIONE DELLA RISPOSTA  IN FREQUENZA, OTTENUTA CON UNA ELEVATA INDUTTANZA DELLA BOBINA MOBILE ( Le )

Contrariamente alla stragrande maggioranza dei costruttori di altoparlanti la ricerca dell’estensione in frequenza non è determinata da una relativa bassa induttanza della bobina mobile ma da una attenta ricerca nel migliorare i rendimenti dei vari componenti del motore e di tutto l’equipaggio mobile dell’altoparlante al fine di ottenere una estensione della risposta con un roll-off molto dolce privo di fastidiosi picchi o buchi nella risposta in frequenza, questa scelta permette di adoperare l’altoparlante in modo da ottenere precisi tagli con l’ausilio di pochi componenti in un range di frequenze utile a produrre ragionevoli sistemi a due vie, volendo anche senza nessun filtro.. 

risposta infrequenza in box chiuso di test, senza filtro crossover

Per mantenere ad un buon livello il valore di sensibilità e per ottenere un ragionevole rapporto costruttivo della bobina, l’impedenza nominale è stata fissata a sei ohm mentre la resistenza in corrente continua è pari a 4,7 ohm.

risposta e fase acustica

Veniamo ora ai parametri di Thiele/Small. Come potete immaginare i parametri principali sono stati ottimizzati per il corretto funzionamento in box chiuso senza freno pneumatico addizionale.

La frequenza di risonanza si assesta intorno ai 60 Hz mentre il fattore di merito totale arriva a circa 0,60. Il fattore di merito meccanico è molto elevato mentre il Vas è di poco superiore ai dieci litri.

Ciò permette di realizzare un box di circa 30 litri netti, poi maggiorati dall’assorbente ed ottenere un sistema con frequenza di risonanza intorno ai 65-70 Hz e fattore di merito vicino al canonico Butterworth del secondo ordine. In tal modo il sistema permette la massima estensione e linearità della risposta in bassa frequenza senza generare ripple ( picchi ed ondulazioni ) della risposta.

 risposta in ambiente, altoparlante montato nel box di prova

Vediamo quindi tutti i parametri costruttivi con la seguente tabella :

·          POTENZA NOMINALE : 50W

·          IMPEDENZA NOMINALE : 6 OHM

·          SENSIBILITA’  : 2,83V /m : 91 dB – 2,45V /m : 89,8 dB

·          DIAMETRO BOBINA MOBILE : 25mm

·          DIAMETRO CESTELLO : 165mm (6,5” DIN)

·          FORO DI MONTAGGIO : 142mm

·          RESISTENZA IN C.C. ( Re ) : 4,7 OHM

·          FREQUENZA DI RISONANZA IN ARIA ( Fs ) : 62 Hz

·          FATTORE DI MERITO MECCANICO ( Qms ) : 12,1

·          FATTORE DI MERITO ELETTRICO ( Qes ) : 0,60

·          FATTORE DI MERITO TOTALE ( Qts ) : 0,57

·          MASSA MOBILE ( Mms ) : 13,6 g

·          CEDEVOLEZZA MECCANICA SOSPENSIONI ( Cms ) : 0,49 mm/N

·          DIAMETRO EQUIVALENTE DI EMISSIONE ( De ) : 131mm

·          VOLUME EQUIVALENTE ALLA CEDEVOLEZZA ( Vas ) : 12 l

·          FATTORE DI FORZA O COSTANTE CONVERTITORE ( BxL ) : 6,4 TxM

·          MASSIMA ESCURSIONE LINEARE ( Xmax ) : +/- 3 mm

·          RENDIMENTO PERCENTUALE ( n0 ) : 0,46 %

·          EFFICIENZA DI TRASDUZIONE IN dB SPL : 88,6 con 1 W elettrico

·          INDUTTANZA DELLA BOBINA MOBILE ( Le ) : 1KHz 0,95 mH / 10KHz 0,40 mH

Prototipo non definitivo in fase di  misurazione con scheda CLIO, in box di prova

L’applicazione da me scelta per il D165PFB01 è un box chiuso di 30 litri netti, maggiorati da una massiccia dose di assorbente, attentamente posizionato, il quale annulla la tipica risonanza del box a sviluppo verticale. Il diffusore, a due vie è stato battezzato “LOGIKA” ed impiega, assieme al nostro driver, l’economico ma performante tweeter MONACOR DT-280. Il filtro crossover è assai particolare come molte altre soluzioni tecniche ed estetiche scelte. Al più presto verrà pubblicata l’intera recensione del diffusore e le misure strumentali ottenute con scheda Clio.

Per chi volesse maggiori informazioni tecniche o di altro genere sul midwoofer D165PFB01 le potrà ottenere contattandomi direttamente oppure contattando il progettista e costruttore dell’altoparlante Enrico Priami :

Alberto Bellino – audiojam@libero.it

Enrico Priami – enricopriami@yahoo.it

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