Un crossover senza componenti? – RKE

Un filtro crossover senza componenti?

Introduzione

Questo articolo, prendendo spunto da un prodotto commerciale, vuole presentare una soluzione originale ad un problema “vecchio quanto l’HiFi” ed essere di stimolo a cercare sempre di vedere i problemi con “occhi diversi”.

Sin dagli albori della riproduzione audio, fu chiaro che riprodurre tutte le frequenze audio con un singolo dispositivo non era cosa semplice. Nonostante i continui sviluppi e progressi appare ancora oggi un problema di difficile soluzione. Certo vi sono altoparlanti a larga banda o fullrange o extended range, ma rimangono un compromesso che se si vuole di buona qualità ha costi elevati. Nacquero così i sistemi multivia, costituiti da una pluralità di altoparlanti specializzati in specifiche bande di frequenza, che presero i ben noti nomi di sub-woofer, woofer, midrnge, tweeter, supertweeter.

Gli altoparlanti per le varie frequenze

Senza voler ripresentare nozioni magari già fin troppo note, riassumiamo brevemente nomi e caratteristiche principali dei due altoparlanti principali destinati a riprodurre specifiche bande di frequenza.

Woofer: prende il nome dal termine inglese woof che significa "suono basso". ​​ È un altoparlante progettato per riprodurre quindi le frequenze più basse della gamma audio in unione ad uno o più altoparlanti destinati a riprodurre la gamma rimanente. La caratteristica principale è di avere dimensioni e peso maggiori degli altri trasduttori e un equipaggio elettromeccanico avente buone doti di robustezza.

Tweeter: prende il nome dal termine inglese (to) tweet che significa "cinguettare". È quindi un altoparlante dedicato a riprodurre le frequenze alte della gamma audio. In generale ha un diametro minore degli altri altoparlanti per riprodurre al meglio le frequenze di cui si occupa.

Ad ogni altoparlante è bene se non necessario inviare solo le frequenze per cui è progettato. Se ad un woofer mandiamo segnali ad alta frequenza questi non saranno riprodotti o magari lo saranno con elevata distorsione o con una risposta in frequenza molto accidentata. Peggio la situazione con i tweeter, che se alimentati con segnali a bassa frequenza, non solo non li riprodurranno fedelmente, ma andranno molto rapidamente in guasto sia per motivi elettrici sia meccanici. Un filtro quindi è necessario!

Il filtro crossover

Per poter inviare ad ogni altoparlante solo i segnali di sua competenza, occorre un filtro, comunemente noto come crossover. Più tecnicamente con tale termine si identifica un sistema costituito da due o più filtri con bande passanti contigue e aventi in comune una frequenza di frontiera (detta appunto frequenza di crossover.). Deve il suo nome alla caratteristica per cui in corrispondenza della frequenza di taglio, le curve di attenuazione dei due filtri si incrociano. Nella sua realizzazione più semplice è composto da un passa basso e da una passa alto.

Ogni sezione può avere poi pendenza di taglio differenti, in base al suo ordine così come di seguito riassunto:

Ordine

Componenti per passa basso

Componenti per passa alto

Attenuazione dB/ottava

Attenuazione dB/decade

1

1 induttanza

1 condensatore

6

20

2

1 induttanza e 1 condensatore

1 induttanza e 1 condensatore

12

40

3

2 induttanze e 1 condensatore

1 induttanza e 2 condensatori

18

60

4

2 induttanze e 2 condensatori

2 induttanze e 2 condensatori

24

80

 

I filtri dei primo e secondo ordine sono fra i più diffusi e largamente impiegati. Sono economici, relativamente semplici da calcolare e richiedono pochi componenti. I filtri di ordine superiore hanno applicazione più rara proprio per il relativo costo e difficoltà di messa a punto.

Detto filtro ha un ruolo cruciale nella qualità ed affidabilità del diffusore. Non solo garantisce che ad ogni altoparlante arrivino solo le frequenze di interesse, ma deve anche controllarne la fase, gestire l’impedenza vista ai morsetti da parte dell’amplificatore, livellare magari anche il livello fra altoparlanti differenti. Il tutto ovviamente, non introducendo distorsioni apprezzabili fino al limite di potenza del diffusore. Non è banale come serie di compiti. Se oggi con il calcolatore e buoi programmi di simulazione si possono ottenere rapidamente buoi progetti, molto più complicata era la situazione un tempo, quando tutto questo non esisteva e ci si affidava a calcoli e misure manuali.

Aggiungiamo che i componenti per realizzarlo “rubano” volume all’interno del diffusore. Se la cosa è sostanzialmente trascurabile in oggetti di grande ingombro, altrettanto non si può certo affermare nelle realizzazioni più compatte.

Oltre alle difficoltà progettuali e realizzative, va anche considerato come il filtro possa costare anche una frazione significativa dell’intero diffusore. Basta sfogliare i listini dei produttori di condensatori e induttanze per alta corrente per uso audio per togliersi ogni dubbio possibile.

Un altro problema dei sistemi multivia

Vi è anche un aspetto legato all’affidabilità da considerare, ben noto a chi ha provato magari a riprodurre musica tramite un amplificatore “tirato al limite”. In un sistema di riproduzione ben dimensionato, la potenza di amplificatore e altoparlanti è coordinata in modo che fintanto che si rimanga rimane in un “regime indistorto” tutto vada per il meglio, senza problemi per alcun componente. Nel momento in cui si superi però le capacità dinamiche dell’amplificatore, facendolo saturare (clipping) ecco che si rischiano danni. La distorsione del segnale, lo arricchisce di armoniche o più in generale di energia alle frequenze più alte, che finiscono per sovraccaricare il tweeter che di solito sarà il primo componente a guastarsi.

Una soluzione alternativa

Vediamo ora come i vari aspetti negativi fin qua narrati possono essere risolti, affrontando il problema in modo differente.

Anziché costruire due distinti altoparlanti per la parte bassa e alta dell’audio, proviamo ad immaginare di realizzarne uno concentrico, con il tweeter all’interno del woofer e con una frazione del gruppo magnetico in comune. Se poi la bobina del tweeter la realizziamo in corto circuito e la poniamo in posizione opportuna, ecco.. il gioco è fatto!

Ma come può funzionare magari direte? Il “trucco c’è ma non si vede” si potrebbe anche arguire, ma il tutto è più semplice di quanto potrebbe apparire.

Il principio su cui si basano questi sistemi è noto anche come "induction tweeter" o “wireless tweeter. La bobina del woofer alimentata come sempre dal solito amplificatore, agisce anche come primario di trasformatore di cui il complesso magnetico dell’altoparlante è il nucleo. Il secondario del trasformatore è costituito dalla piccola bobina in corto circuito del tweeter, “sapientemente” posizionata.

In altri termini è come pensare di alimentare e filtrare il tweeter in un sistema “normale” non tramite un convenzionale filtro passa alto L-C, ma tramite un trasformatore. Ecco, questo è il nocciolo della soluzione. Il tutto reso possibile da un raffinato dimensionamento di tutte le parti sia meccaniche sia magnetiche. Il sistema deve garantire infatti: sensibilità, parità di livelli fra i due trasduttori, impedenza, banda passante e frequenza di taglio. ​​ In cambio di questa complessità progettuale e realizzativa però, si possono ottenere due grandi vantaggi:

  • eliminare il filtro crossover

  • rendere impossibile bruciare il tweeter

Un esempio commerciale

La soluzione prima presentata non è pura teoria e ha trovato applicazione in alcune serie di altoparlanti e diffusori commerciali.

Fra i vari, quelli forse più reperibili a buon prezzo e di interesse per essere studiati, provati e modificati sono le Tannoy I5T AW, dei piccoli diffusori per esterno o meglio detti come ci suggerisce il costruttore: “All Weather” e che rispondono alle specifiche IP33CS secondo la EN60529. Non possono affrontare violente “burrasche di vento e pioggia” con acqua che arriva da ogni direzione, ma resistere senza problemi a intense precipitazioni anche non verticali. Un buon punto di partenza per farne un buon uso in giardino, ad un field day, fiera, mercatino, esibizione all’aperto in genere.

Ritornando al tema principale, nell’immagine sottostante potete vedere un esploso del complesso altoparlante da 5” con visibile la bobina di alluminio, realizzata con una singola spira in corto circuito che muove il diaframma del tweeter.


Illustrazione 1: Vista esplosa degli altoparlanti con tecnologia ICT di Tannoy

L’altoparlante è a bassa impedenza, ma il diffusore nel suo complesso è pensato per un uso con linee a 70V, di cui vedremo nel prossimo capitolo alcune informazioni. Il trasformatore d’impedenza è all’interno del contenitore e il selettore per la potenza (selezionabile fra 30, 15, 7.5, 3.75 Watts) è sul frontale. I dati appena indicati ci suggeriscono anche che la potenza gestibile è di almeno una trentina di watt, ma come vedremo le buone notizie non finiscono qua. Studiando il manuale, si apprende come in realtà la potenza gestibile sia compresa fra i 50 e i 100W con una sensibilità di ben 93dB! e livelli massimi riproducibili ben oltre i 100dB!


Illustrazione 2: Dati tecnici essenziali del diffusore. Notare l'elevate sensibilità e livello massimo riproducibile. Fonte: Manuale Tannoy

Le linee a 70V e 100V

Le cosiddette linee a tensione costante (70 e 100V le più comuni) sono un modo per distribuire potenza audio ad una pluralità di altoparlanti, spesso a distanze elevate.

La tecnica di base è simile al modo in cui è distribuita la corrente elettrica nelle nostre case dove le centrali elettriche usano trasformatori per elevare la tensione e distribuirla con correnti basse, pertanto con perdite basse e possibilità di utilizzare cavi più sottili. Localmente poi questa tensione viene ridotta al valore dell’utilizzatore.

I sistemi di altoparlanti distribuiti utilizzano un principio simile. L'amplificatore ha sulla sua uscita un trasformatore elevatore che produce una tensione elevata e una bassa corrente di uscita. Perimenti, ogni altoparlante ha il suo trasformatore per convertire il segnale in un tradizionale segnale bassa tensione/alta corrente.

La definizione 100V o 70V viene dal fatto che a piena potenza, l'amplificatore erogherà 100V RMS in un caso o 70 nell’altro.

Questi sistemi sono ampiamente utilizzati in ambienti o spazi in cui siano richiesti più altoparlanti, magari eroganti livelli differenti quali ad esempio aeroporti, centri commerciali, scuole, luoghi di culto, club, uffici, parcheggi e simili.

La loro larga diffusione si deve ai seguenti vantaggi:

  • Non occorrono complicati calcoli di impedenza totale dei diffusori per capire se possono essere collegati senza danni: è sufficiente sommare il wattaggio di ogni diffusore e verificare che sia inferiore a quello dell’amplificatore

  • Molti altoparlanti possono essere collegati ad un solo amplificatore.

  • Nuovi altoparlanti possono essere normalmente aggiunti al sistema in momenti successivi (fino al limite di potenza disponibile).

  • Il volume di ciascun diffusore può essere regolato indipendentemente dal volume degli altri

  • Possono essere utilizzati cavi di piccole dimensioni perché come anticipato, a pari potenza, i sistemi di altoparlanti distribuiti usano molta meno corrente attraverso i cavi degli altoparlanti.

  • E’ possibile avere cavi dei diffusori molto lunghi con perdita di linea ridotte. Sono comuni cablaggi fino e oltre i 100 di metri, impensabili con altoparlanti a 4 o 8Ohm.


Illustrazione 3: Vista interna del diffusore: a destra l'altoparlante, al centro il trasformatore e a sinistra il selettore per la potenza

Modifiche e misure

Se non vi interessa impiegarle in linee 70V come da progetto originale, quanto piuttosto farne dei piccoli ma efficienti monitor da tavolo, libreria o da esterno è possibile modificarle facilmente. Se invece vi servissero in un impianto a 100V sappiate che il trasformatore interno ha anche una presa per quel livello ed è quindi facile convertirle di standard.


Illustrazione 4: Dettaglio del trasformatore interno, in cui è possibile selezionare linee a 70,7 e 100V.

Per aprirle è sufficiente rimuovere la griglia frontale ad incastro e le sei viti. La cassa si aprirà quindi esponendo il suo contenuto: l’altoparlante, il trasformatore d’impedenza e il selettore per la potenza.

Le modifiche per convertirle a bassa impedenza, sono poche e semplici:

  • rimuovere il trasformatore

  • rimuovere il selettore della potenza

  • tappare i fori sul frontale dove di era il selettore

  • collegare l’altoparlante direttamente ai morsetti posteriori

Fatto questo, non ci rimane che richiuderle con cura e provarle!

Ecco quanto misurato sugli esemplari in mio possesso:


Illustrazione 5: Curva d'impedenza del diffusore Tannoy I5T AW. In blu il modulo e in rosso la fase

Da queste curve possiamo notare che:

  • l’altoparlante è da 4 Ohm di impedenza nominale

  • il sistema ha risonanze a 40 e 130Hz

  • il tweeter, pur nella sua originale realizzazione, lascia intravedere la sua risonanza a circa 1500Hz

  • le rotazioni di fase sono contenute su tutto lo spettro, aspetto che semplifica l’interfacciamento con l’amplificatore

Vediamo ora la risposta in frequenza in un medio ambiente domestico, una volta fissate a muro con le loro staffe:


Illustrazione 6: Risposta in frequenza a terzi d'ottava con rumore rosa in ambiente

Il risultato appare più che apprezzabile in considerazioni delle dimensioni e costo del diffusore, con una risposta sostanzialmente piatta da 80Hz all’estremo opposto della banda audio. Al di sotto dei 120Hz si avverte una certa “leggerezza”, ampiamente accettabile vista la destinazione originaria del sistema.

Conclusioni

Siamo giunti al termine. Come premesso in apertura, scopo di questo scritto non era certo recensire un diffusore, quanto mostrare una diversa soluzione per un problema ben comune e spingere ognuno a non fermarsi nel ricercare nuovi approcci e tecniche. Comunque, il diffusore suona bene, si trovano a buon prezzo e la loro resistenza all’aperto ne fa un prodotto particolarmente interessante. Buone innovazioni ed sonificazione a tutti!

Bibliografia

https://www.graysonline.com/lot/0005-2107989/audio-tv-and-home-theatre/tannoy-i5t-aw-white-all-weather-passive-speaker-colour-black

https://audiokarma.org/forums/index.php?threads/ive-always-wanted-some-tannoy.474352/

http://www2.standardaudio.se/pdf/DATABLAD/TAN/i5AWManual.pdf

https://www.tannoy.com/innovation/ICT-Driver-Technology.html

https://it.wikipedia.org/wiki/Crossover_(elettronica)

http://www.treccani.it/vocabolario/crossover/

https://it.wikipedia.org/wiki/Woofer

https://it.wikipedia.org/wiki/Tweeter

https://www.ilmicrofono.it/content/23-impianti-diffusione-sonora-distribuiti

 

 

Add a Comment

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.