Diffusori audio - quarta parte

di F. Münchhausen

Figura 15: risposta in frequenza del DUT con una faccia caricata da tubo di lunghezza variabile


Figura 16: Impedenza del DUT con una faccia caricata da un tubo di lunghezza variabile.


Figura 17: Risposta in frequenza del DUT con ambo le facce caricate da tubo; tubo posteriore fisso.


Figura 18: Impedenza del DUT con ambo le facce caricate da tubo; tubo posteriore fisso.

In questa rubrica viene affrontato in maniera semplice il metodo con cui dimensionare il cabinet di un diffusore acustico a radiazione diretta. Step-by-step vengono ripercorse le fasi che un ipotetico autocostruttore-sperimentatore potrebbe seguire per giungere alla definizione della soluzione ottimale in funzione degli obiettivi.

Nei numeri precedenti abbiamo stabilito un approccio lavorativo, utilizzando come altoparlante-cavia il Ciare HX205, un modello presente di frequente nei progetti degli autocostruttori. Ne sono state analizzate (sommariamente) le caratteristiche costruttive ed i parametri di Thiele e Small (T&S), basandosi sui dati dichiarati e disponibili sul web. Nelle prime tre puntate sono state fatte alcune considerazioni sulle configurazioni con l’altoparlante in aria libera, inserito in un baffle infinito, in cassa chiusa e in configurazione reflex.

Una faccia caricata da un tubo

Dopo i risultati ottenuti dalla sperimentazione con la configurazione reflex, ora il nostro fa un ragionamento: “Se faccio un foro nella cassa chiusa ho più basse frequenze; poi scopro che il foro è meglio che sia più grande possibile e più lungo possibile. E se facessi emettere all’altoparlante direttamente in un tubo, ossia direttamente in un condotto?” Il ragionamento ha un suo perché e così si lancia nella realizzazione di una serie di tubi di varia lunghezza, {1, 50, 100, 150, 200, 250, 300} cm, su cui montare l’altoparlante ottenendo le risposte visibili in figura 15 e le curve di |Z| in figura 16.

Come prevedibile◊, con un tubo di pochi centimetri ottiene una risposta completamente priva di basse frequenze in quanto il cortocircuito acustico è quasi totale.

All’aumentare della lunghezza del tubo, si riduce l’effetto di cancellazione in una certa zona dello spettro e resta presente in altre. In dipendenza dalla lunghezza si ha sempre, oltre i 100 Hz, la presenza di profondi avvallamenti e di pronunciati picchi, ovvero si viene a perdere completamente la linearità. Ma sotto ad una certa frequenza, orientativamente 100 Hz per il caso in esame, la risposta è tutt’altro che disprezzabile, ed anzi l’output è ovunque addirittura superiore a quello del bass reflex. Nelle curve di impedenza, oltre ai due picchi “da reflex” compaiono tutta una serie di massimi ben ripartiti sullo spettro e di ampiezza via via decrescente. Ad una prima analisi possono essere messi in relazione con la lunghezza del tubo.

Che analisi si può fare sulle simulazioni (che stiamo considerando come misure) visibili in figura 15?

L’aria contenuta del tubo, scelto di dimensioni esattamente pari alla superficie radiante del cono, come si comporta nei confronti dell’altoparlante? Nel caso di cassa chiusa abbiamo visto che fa da “molla” d’aria, ma qui? Si può ipotizzare che essa gravi sul cono come fosse una massa suppletiva oppure possiamo pensare al sistema come ad una canna d’organo? Una risposta univoca non c’è; probabilmente sono vere un po’ tutte le affermazioni fatte. D’altronde anche Pass si è limitato a constatare che il sistema può funzionare [6].

Si può ancora parlare di sistema in radiazione diretta?

Beh sì, essendo che una delle due facce emette in campo libero.

Un’analisi molto approfondita, con particolare riguardo alle variazioni dovute al riempimento con materiali smorzanti, è stata fatta in [7]. Non meno degna di nota la costruzione del modello simulativo di Backman [8].

Due facce caricate da tubo

Il nostro si trova ora tra le mani una mezza dozzina di tubi fra i quali sceglie quello che, a suo giudizio, offre una risposta misurata più vicina al suo concetto di linearità☼. Non sapendo che farsene dei rimanenti spezzoni prova a posizionarli davanti alla faccia del cono prima lasciata libera. Non senza un certo stupore nota che le risposte rilevate sono molto variabili e portano a risultati anche parecchio distanti fra di loro.

In figura 17, le risposte in frequenza per un tubo frontale di lunghezza L = {0, 10, 30, 50, 80, 100, 150, 200} cm ed un tubo posteriore di 250 cm. Modulo d’impedenza simulato nella medesima configurazione in figura 18.

Considerazioni:

• all’aumentare della lunghezza del condotto il primo dip tra 100 Hz e 150 Hz tende a scomparire, fino quasi ad annullarsi per L = 80 cm;
• incrementando la lunghezza del tubo frontale si ha una sorta di shift incentrato a circa 30 Hz, sotto i quali si perde output che però viene riguadagnato tra i 35 Hz ed i 60 Hz;
• oltre ai 150 cm la risposta complessiva diventa quella di un risuonatore, ed è praticamente inutilizzabile per la riproduzione Hi-Fi;
• per frequenze superiori al primo dip la risposta è caratterizzata da forti irregolarità e filtraggio a pettine per mutue cancellazioni;
• la migliore performance (se così si può dire), la si ha con un tubo frontale di 80 cm, ovvero 1/3 della lunghezza del tubo posteriore.

In figura 18 si può apprezzare (poco a dir la verità) come il sistema passi da una situazione simile al bass reflex (due picchi ben definiti) ad una assimilabile al band-pass (tre picchi principali). Si noti che la frequenza del primo massimo d’impedenza resta pressoché invariata a circa 20 Hz.

È questa la configurazione del Bose Acoustic Wave Cannon, ingegnoso sistema proposto da Bose alla metà degli anni ‘80 per la sonorizzazione professionale, dedicata in particolar modo alle sale da cinema. Il sistema era equipaggiato con un elaboratore di segnale (alias un equalizzatore) che effettuava i necessari filtraggi e correzioni nella risposta in frequenza. Vantaggi? Sicuramente l’aumento del massimo livello SPL d’uscita e nella riduzione dell’escursione del coni. Facendo un confronto col bass reflex notiamo una differenza di emissione di circa 5 dB a 30 Hz a favore del doppio tubo ed un innalzamento della sensibilità in tutta la banda di funzionamento come subwoofer. Svantaggi? Il sistema per centrare i suoi goal deve avere pochissime perdite; deve quindi essere ridotto al minimo l’uso di assorbente sonoro e massimizzata la rigidità delle strutture. Viste le tormentate risposte in frequenza dei sistemi a tubo oltre ad una certa frequenza, l’uso di tale tipo di caricamento per un woofer che debba funzionare anche in banda medio-bassa e/o media deve essere attentamente valutato, eventualmente adottando opportuni accorgimenti per limitarne gli effetti. Nel nostro caso specifico converrete che non ha senso mettere un tubo di 80 cm davanti ad un coassiale.

Ah, incidentalmente questo sistema di caricamento non rientra più nella famiglia dei sistemi a radiazione diretta.

Nel prossimo numero: la linea di trasmissione.

Bibliografia e letture di riferimento

[6] K. English e N. Pass, The Legend of EL PIPE-O, Pass Labs, (2002)

[7] R. A. Robinson, Jr., An Electroacoustic Analysis Of Transmission Line Loudspeakers, Georgia Institute of Technology, (2007)

[8] J. Backman, A Computational Model of Transmission Line Loudspeakers, AES Published, preprint 3326, (1992)

Note:

◊ “Natura non facit saltus” (Linneo, Leibniz o forse Aristotele).

☼ che, come sovente accade, è legato alla linearità della rappresentazione grafica.

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