La bottega di Archimede – quinta parte

di Mario Di Cola e Gabriele Candini

Virtual Speaker Model

Il passo in più che ora possiamo compiere in figura 5 riammette in ingresso al modello, a livello semplicemente numerico, una sintesi ideale dei parametri di T/S che erano da noi desiderati. Il nostro circuito quindi si comporterà, a livello elettromeccanico, come quello di figura 4 condizionandone il meccanismo con la manipolazione del segnale d’ingresso, ottenendo dunque le caratteristiche desiderate dall’altoparlante e potendo modificare il comportamento finale al semplice cambiamento del modello numerico dei parametri in ingresso.

Fig. 4: Circuito semplificato dove tutto il lato elettrico è stato sostituito da un amplificatore ad impedenza negativa.

Fig. 5: Modello semplificato come il precedente a cui è stata ri-aggiunta in ingresso una sintesi numerica dei parametri T/S dell’altoparlante desiderato.

A questo punto, l’ultima limitazione che ci serve superare nel nostro modello è relativa al fatto di non essere eventualmente in grado di reagire alle condizioni acustiche al contorno, agenti sulle due facce del cono. Esso si comporterebbe allo stesso modo in termini di velocità di volume / tensione in ingresso sia nel vuoto, sia in aria libera o all’interno di un sistema acustico. Ecco quindi che è necessario includere nel sistema un controllo in retroazione, per poterlo adattare alle caratteristiche d’impiego. Qui entra in gioco il sensore di pressione differenziale che deve essere installato sul pannello dell’altoparlante in modo che sia in grado di rilevare con precisione la pressione agente sulle due facce della membrana.

Il modello completo che ne deriva è quello di figura 6.

Fig. 6: Modello completo di parametri in ingresso e controllo differenziale di pressione in modalità “Feedback”.

A questo punto è necessario ricostruire una relazione tra le forze che agiscono sulla membrana e il modello di riferimento in ingresso. Una misura diretta della differenza di pressione acustica che agisce sulle due facce della membrana, pesato da K (guadagno del sensore di pressione) e dal rapporto tra fattore di forza virtuale e superficie virtuale della membrana costituisce il segnale che viene reinviato in ingresso al modello virtuale di riferimento. La sorgente controllata in corrente, proporzionale al valore suddetto, è quindi capace di ricostruire (a ritroso) l’effetto delle condizioni acustiche di lavoro sul modello virtuale.

Pressure Model

La modalità di funzionamento denominata Pressure Model è quella che ci permette invece un controllo più “manuale” del sistema. Come si vede bene nella figura 7, il modello è molto simile al precedente ma con la differenza che non si immettono in ingresso i parametri di T/S desiderati ma si opera agendo sulla risposta acustica in modo da renderla più aderente possibile a quella desiderata.

Fig. 7: schema del sistema IPAL nella modalità di funzionamento “Pressure Model”.

Questa modalità di utilizzo, che è quella utilizzata all’interno del nostro progetto 218IPAL, permette una maggiore libertà d’azione ed è un po’ come guidare l’auto con un cambio manuale (cosa altamente preferita da chi scrive…) invece che una con un cambio automatico. In questo caso possiamo, infatti, portare il funzionamento del sistema ai limiti ed ottimizzarlo per quello che ci interessa di più, cioè il massimo output acustico, agendo in totale libertà su alcune variabili del sistema.

In questa modalità si può operare in modo diretto sottoponendo il sistema ad una misura in tempo reale della risposta acustica e si può agire su alcune grandezze per modellarla per poi, infine, equalizzare in ingresso così da ottenere la risposta passa-banda desiderata. Tali grandezze sono la resistenza aggiunta e la quantità di guadagno del blocco di retroazione (cioè l’amplificazione del segnale proveniente dal sensore) che andremo ad utilizzare.

Nello specifico setup, tali parametri sono stati studiati ed ottimizzati al fine di ottenere un comportamento progressivo che permetta di sfruttare il sistema fino ai livelli più alti. Varie prove effettuate suggeriscono un valore di resistenza contenuto entro 1 Ω, che quindi ha come effetto quello di aumentare il Q_ts apparente dell’altoparlante dagli attuali 0,25 reali, ad un più ottimale 0,4 virtuale o più. Considerando che si tratta di un altoparlante molto rigido (F_s di 39 Hz con una massa di 415 g…) anche valori più elevati di 0,4 vanno benissimo. Per il nostro sistema, pur mantenendo l’elevata efficienza reale del trasduttore Eighteen Sound originario, abbiamo bisogno ai fini della risposta acustica di allentare un pochino la rigidità del controllo alle frequenze più basse con una risposta acustica più morbida e generosa. Anche il guadagno del blocco di retroazione lo terremo quindi contenuto all’interno di un valore moderato, inferiore ai −15 dB, in modo da esercitare un controllo non particolarmente rigido ai livelli più elevati.

Questo ci permette di assecondare meglio il comportamento ai limiti estremi dell’escursione e quindi di poter utilizzare il sistema anche in condizioni estreme d’impiego. Sempre sul filo dell’analogia automobilistica, infatti, è un po’ come se fossimo chiamati a regolare il controllo elettronico delle sospensioni. Se lo impostassimo per un controllo estremo, esageratamente rigido, potremmo avere l’effetto di controllare sì alla perfezione la stabilità del veicolo, ma solo fino al punto di tenuta dei pneumatici (influenzato anche dalle caratteristiche del fondo stradale), dopo di che la perdita di controllo sarebbe evidentissima e in certi casi anche devastante. Anche in quel caso, infatti, come nel nostro subwoofer, è necessario non esagerare con il controllo in modo da permettere che, al raggiungimento dei limiti di funzionamento, il deterioramento delle prestazioni risulti progressivo e prevedibile.

Con questi ultimi dettagli quindi, si conclude il nostro percorso attraverso la progettazione di questo subwoofer. Per gli aspetti finali e realizzativi, si potranno consultare i dati dedicati ad esso nella sezione progetti sul sito di 18 Sound, da cui sarà anche possibile scaricare ulteriori dati ed il file di configurazione da caricare nel sistema IPAL 218 per ottimizzarne al massimo il suo funzionamento. Buon lavoro, e buon divertimento a quelli che lo vorranno costruire. 

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