Il subwoofer “barricato”
Questo progetto nasce dall’unione di molti desideri e da una fondamentale esigenza: estendere la gamma bassa dei piccoli diffusori che uso nella mia “sala giochi”, ovvero il locale dove ho il mio laboratorio elettronico da hobbista.
I diffusori da complementare li costruii forse più di 30 anni fa con materiali di recupero, suonano bene, ma a causa delle ridotte dimensioni e caratteristiche elettromeccaniche dei miniwoofer hanno una risposta che cade sensibilmente al di sotto dei 100-120 Hz. Il suono è quindi un po’ “leggerino” e talvolta si desidera qualcosa di più.
Ovviamente esistono molte soluzioni commerciali, ma da buon autocostruttore non potevo perdere l’occasione di provare a progettare e realizzare qualcosa di originale, col proposito di condividerlo e farlo diventare buona base per altri progetti e migliorie.
Obiettivi
Obiettivi del progetto erano dunque:
costi ridotti
Figura 1: Il Daytonaudio DC 160-8 impiegato in questo progettobuona riproducibilità
componenti facilmente reperibili
originalità
ingombri possibilmente ridotti
L’altoparlante
Mescolando ben bene i punti appena elencati, la scelta dell’altoparlante è caduta sul Daytonaudio DC 160-8, un moderno 6” di costo contenuto e noto per la sua frequenza di risonanza particolarmente bassa, di soli 36Hz. Il QTS di 0,34 ne suggerisce un impiego in un diffusore reflex.
La cassa
Scelto l’altoparlante rimaneva la definizione della cassa vera e propria in cui farlo suonare. Per uscire dall’ovvia forma a parallelepipedo senza peraltro avere una falegnameria a disposizione ho unito le passioni per la buona musica con quella del buon vino e... ho scelto di impiegare una botte!
La scelta, forse ardita e certamente non priva di qualche controindicazione, offre sufficienti vantaggi per essere provata. Vediamoli:
forma originale
facile lavorabilità
rigidità
ampia scelta di prodotti commerciali a costi contenuti
Così, disponibili cassa e altoparlante, non rimaneva che completare il progetto.
Visto il valore di Vas di 17,9 litri dell’altoparlante scelto e l’intento di contenere le dimensioni del diffusore, il prodotto commerciale più adeguato sono le botti da 15 litri nominali. Io ho acquistato la mia da una nota azienda di Marsala (TP) che in pochi giorni me l’ha recapitata a casa. E’ rigida, ben costruita e stagna (ovviamente). Le dimensioni interne sono:
diametro minimo = 200mm (dm)
diametro massimo = 250mm (Dm)
altezza: 340mm (H)
Per calcolare il suo valore reale di capacità interna possiamo impiegare la seguente formula approssimata:
Introducendo i valori prima misurati, otteniamo un volume interno netto di circa 15,4 litri.
Nella scelta della botte e prima del suo acquisto è bene verificare che la spaziatura dei cerchi permetta l’inserimento dell’altoparlante prescelto.
Il calcolo dei condotti reflex
Fissato il volume interno e i parametri dell’altoparlante, non rimane che calcolare i condotti del bass reflex. Per questo ho impiegato l’ottimo foglio Excel denominato Woofer Box and Circuit Designer.xls messo a punto da Jeff Bagby, liberamente scaricabile al link in bibliografia, a cui si rimanda anche per i dettagli operativi e teoria di funzionamento.
Di uso abbastanza intuitivo, il foglio elettronico con le sue potenti macro permette di simulare la risposta di vari altoparlanti e allineamenti. E’ possibile aggiungere liberamente trasduttori al suo database, semplicemente introducendone i parametri Thiel & Small principali. Oltre ad essere un buon tool per la progettazione di massima, è utile anche per simulare e sperimentare soluzioni differenti, prendendo così confidenza sull’impatto di ogni modifica.
Ritornando a noi, per quanto riguarda i condotti reflex possiamo ricordare che:
aumento l’area del condotto → aumenta la frequenza di risonanza
aumento la lunghezza del condotto → diminuisce la frequenza di risonanza
la velocità dell’aria nel condotto dovrebbe essere limitata per contenere perdite di carico e fenomeni di turbolenza, specie nel caso (non nostro) di diffusori per alte potenze.
In questo caso sia per disponibilità dei materiali sia per aspetto estetico ho optato per una soluzione a due condotti, di diametro interno di 36mm e lunghezza 200mm realizzati con tubo in PVC irrigidito esternamente con vetroresina. L’accordo dei condotti è a circa 43Hz.
Vediamo alcuni grafici di comportamento simulato con il foglio elettronico prima utilizzato:
Figura 2: Simulazione risposta
In questo primo grafico vediamo nella curva nera la risposta simulata del sistema con i contributi separati di condotti e altoparlante in rosso e blu. La risposta attesa è sostanzialmente piatta fino a 60Hz, mentre i 50Hz sono solo di poco attenuati. Non è una estensione da subwoofer per HomeTheatre, ma più che adeguata alla stragrande maggioranza dei generi musicali.
Figura 3: Simulazione velocità dell'aria nei condotti
Questo grafico ci indica la velocità simulata dell’aria nei condotti di accordo in funzione della frequenza. Il valore massimo rimane contenuto nei 28m/s, valore non particolarmente ridotto ma accettabile per l’applicazione specifica e la potenza applicabile. Eventuali problemi di turbolenze all’interfaccia fra condotti ed aria libera possono essere mitigati con una apertura progressiva del profilo (tipo tromba).
In questa ultima simulazione viene valutato lo spostamento del cono dell’altoparlante alla potenza nominale e in funzione della frequenza. Fino a 35Hz circa il cono rimane all’interno (linea rossa nel grafico) del suo campo di lavoro e questo dovrebbe assicurare affidabilità e distorsioni contenute.
Costruzione
Terminato il progetto e le simulazioni, la costruzione è stata relativamente semplice e veloce. Il woofer è collocato nella “pancia” della botte. L’apertura può essere eseguita con un seghetto alternativo ovvero una fresa a seconda della disponibilità. Dato che in quel punto la sagoma non è pari ma appunto “a botte”, a seconda dello spessore del legno e del cestello dell’altoparlante impiegato potrebbe rendersi necessario un anello di adattamento, anch’esso realizzabile facilmente in legno. Buone viti da legno a
vvitate in fori guida per non sforzare le nervature sono più che sufficienti per mantenere in posizione il woofer che può, a seconda dell’impiego, essere protetto da una griglia frontale.
Sul retro, o meglio dovremmo dire nell’area diametralmente opposta a quella occupata dall’altoparlante, può trovare posto la vaschetta con i contatti. Altra posizione utile per le connessioni elettriche potrebbe essere una delle facce piane. La scelta può essere questione di gusti personali e convenienza in base a come si pensa poi di inserire nell’ambiente il tutto.
L’interno è parzialmente rivestito di fonoassorbente in spugna bugnata sulle due facce piane.
I due condotti di accordo sono posti a circa 30° dall’asse dell’altoparlante e leggermente sfalsati in altezza in modo da non interferirsi reciprocamente.
La finitura esterna è gusto personale. La botte di suo è già “nice looking”, ma nulla vieta di lisciarla ulteriormente e magari finirla in toni di colore più scuri, in modo da darle un aspetto più datato.
Vista la forma, è possibile sia sospendere la botte tramite delle funi sia appoggiarla ad una base. Per limitare la trasmissione di vibrazioni si possono usare i consueti piedini a cono che hanno però il lato negativo di essere spesso costosi e di poter rovinare la superficie su cui appoggiano. Io ho sperimentato con successo l’impiego di cavicc
Figura 5: Il modulo amplificatore impiegato con crossover elettronico integrato
hie a testa tonda: hanno un costo estremamente contenuto e la superficie di appoggio, pur essendo molto limitata, non rovina il piano di supporto.
L’amplificatore
Anche se non è parte del subwoofer in senso stretto, penso possa valere la pena presentare la mia scelta per la parte di amplificazione.
Vista l’applicazione ho valutato conveniente impiegare un modulo amplificatore a tre canali: due per i satelliti e uno per il sub. Detto modulo contiene già il filtro crossover elettronico con regolazioni indipendenti del livello dei canali.
Ogni canale impiega un TAS5630, un circuito integrato amplificatore in classe D da 150W su 8Ohm, potenza più che esuberante per l’applicazione. La qualità audio è buona così come la sua affidabilità e la semplicità d’impiego.
Il filtro passa basso
Anche se il subwoofer nel mio impiego è pilotato da una coppia amplificatore più crossover elettronico, può essere una buona idea farlo precedere da un consueto filtro passa basso. Uno dei vantaggi più evidenti ed immediati di questa soluzione è l’attenuazione delle armoniche più elevate prodotte della catena di amplificazione in caso di saturazione. Inoltre il sistema così filtrato, potrà essere impiegato anche con amplificazioni senza crossover elettronico a monte. Ovviamente è fondamentale definire correttamente frequenza e pendenza di taglio in modo da non perturbare la risposta del sistema complessivo.
La prima cosa da fare in previsione dell’applicazione di un filtro passa basso al woofer, è linearizzarne l’impedenza, cioè limitarne l’aumento alle alte frequenze. Questo può essere facilmente ottenuto ponendo in parallelo all’equipaggio mobile una rete RC (resistenza-condensatore). Questa soluzione circuitale è nota come rete di Zobel, per il cui approfondimento teorico si rimanda alla letteratura riportata in bibliografia. Un coppia 10 Ω + 10μF è più che adeguata allo scopo. Vediamo nelle misure seguenti come cambia l’impedenza del diffusore applicando la rete appena descritta.
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A questo punto risulta più semplice progettare e realizzare un filtro passa basso. Ipotizzando una frequenza di taglio attorno ai 200Hz, una semplice induttanza da 6mH in serie al segnale farà quanto desideriamo.
Le misure nel mio ambiente
Completato progetto e realizzazione, non rimane che collocare la botte nel laboratorio e misurarne la risposta nell’ambiente d’ascolto.
Come prima valutazione, è interessate valutare la nuova costruzione da sola posizionando la botticella sulla mensola in mezzo agli altri strumenti.
Figura 8: Risposta in ambiente del subwofer senza filtri
Il risultato è decisamente interessante. Pur essendo lontano da pareti e pavimento, il sistema estende la propria risposta dai 50Hz ai 3kHz circa. Questo rende l’idea appetibile per futuri sviluppi, ad esempio un buon 2 vie da scaffale, dall’estetica unica e caratteristica. Ovviamente, l’incrocio con il tweeter dovrebbe avvenire attorno ai 2500-3000Hz.
Vediamo ora la risposta dei soli satelliti, del solo (sub)woofer aggiuntivo e del gruppo nel suo complesso, compresa dell’effetto del filtro crossover elettronico contenuto nell’amplificatore prima presentato.
Figura 9: Risposta in ambiente dei soli satelliti, filtrati dall'amplificatore proposto
Figura 10: Risposta in ambiente del solo subwoofer compresa la filtratura operata dall'amplificatore
Figura 11: Curva di risposta complessiva satelliti più subwoofer
La risposta complessiva è più che apprezzabile. Per ottenerla non bisogna dimenticarsi di regolare i livelli delle due sezioni (passa alto - satelliti e passa basso – woofer) dell’amplificatore. Il suono risultante è ora pieno e ben bilanciato ad ogni livello di ascolto. Colpiscono senza dubbio le doti dinamiche del complesso e la possibilità di ricreare elevate pressioni sonore senza perdere equilibrio timbrico, frutto combinato della multi amplificazione, delle qualità dei singoli componenti e delle scelte progettuali impiegate.
Conclusioni
Il progetto presentato è molto flessibile e scalabile. Con uno sforzo relativamente basso è possibile realizzare diffusori dalla buona sonorità sia monobanda sia multivia, dal design unico, personale e caratteristico ottimo per arredare in stile “barrique” cantine, pub, locali, salotti “country”.
Bibliografia:
http://xoomer.virgilio.it/vannigor/Volume_Botte.htm
http://www.mariobon.com/Glossario/___Amplificatore/Zobel_rete_di.htm
https://it.wikipedia.org/wiki/Rete_di_Zobel