Dall’altoparlante ignoto alla cassa finita!

Quante volte ci sono capitati fra le mani altoparlanti di cui non avevamo caratteristiche e che avremmo magari voluto impiegare in qualche diffusore. E quante volte ci siamo arrangiati con prove, misure e soluzioni empiriche. Oggi, tutto questo può essere superato con relativa facilità, eseguendo il rilievo dei parametri tipici dell’altoparlante e una progettazione assistita del diffusore.

I parametri degli altoparlanti

Per descrivere il comportamento elettrico e meccanico di un sistema tanto complesso quale un altoparlante, A. N. Thiele, membro dell'Australian Broadcasting Commission e Richard H. Small dell'università di Sydney definirono una serie di parametri che poi presero universalmente i loro nomi. Non è l’unico metodo, ma sicuramente è oggi il più utilizzato dai costruttori. Noti questi dati, è possibile oggi progettare e simulare correttamente la cassa, senza ricorrere a metodi empirici come un tempo o a tabelle predefinite nate da prove ed esperimenti. I metodi moderni di misura e progettazione con software opportuni, seppur non scevri da elementi imponderabili, evitano ai progettisti di commettere errori macroscopici.

Vediamo i principali parametri di Thiele & Small e il loro significato

Sd – è la superficie utile di emissione dell’altoparlante e si esprime in cm2. Rappresenta convenzionalmente l'area del cerchio con diametro misurato a partire da metà della sospensione dell'altoparlante.

Mms – acronimo di Moving Mass, è la massa dell'equipaggio mobile e si esprime in grammi. Indica la massa totale della parte mobile dell’altoparlante, costituita dal cono, dalle sospensioni e dalla bobina. Generalmente, una Mms elevata è tipica di un altoparlante abbastanza robusto adatto a suonare con potenze elevate in box ristretti. Una massa più pesante è più "difficile" da muovere, per contro, abbassa la frequenza di risonanza.

Cms – indica la cedevolezza meccanica delle sospensioni e si esprime in mm/N. È inversamente proporzionale alla durezza ed è un valore strettamente legato alla Vas che vedremo nel seguito, con una legge di proporzionalità diretta.

Le – indica l’induttanza della bobina mobile e si esprime in mH. Il suo valore dipende ​​ principalmente dal numero di spire che la costituiscono e dalla permeabilità magnetica dell'elemento in cui è immerso il flusso magnetico da essa generato. Il valore dell'induttanza non è costante con la frequenza. Per questo, viene di solito valutato a 1 e 10 kHz.

Re – indica la resistenza della bobina mobile e si esprime in Ohm. È il valore di resistenza misurato ai capi della bobina mobile con applicata una corrente continua. Normalmente è un poco più bassa del valore d'impedenza nominale.

Bl - indica il fattore di forza elettromeccanico e si indica in Tm (Tesla per metro). Indica la forza del campo magnetico tra i poli del magnete. Generalmente, più il fattore di forza è alto, maggiore sarà la sensibilità/efficienza dell'altoparlante.

FS – indica la frequenza di risonanza di un altoparlante in aria libera e si misura in Hz. Alla Fs le oscillazioni del cono sono massime ed in concomitanza del fenomeno vi è il picco nel modulo del valore di impedenza. A grandi linee, i tweeter hanno Fs compresa fra 1000 e 3000 Hz; i medi hanno un range che può variare da 100 a 1000 Hz mentre i woofer hanno una Fs solitamente inferiore ai 200 Hz. In linea di massima la Fs indica la minima frequenza riproducibile dal driver ma ciò non significa che necessariamente dovremo spingere l'altoparlante a riprodurre suoni di frequenza pari o inferiori alla Fs del driver, anzi spesso è vero il contrario, specie nel caso di mid-range e tweeter.

Vas – acronimo di Volume Acoustic Suspension, in italiano Volume acustico equivalente, è quel volume d'aria avente la stessa cedevolezza meccanica delle sospensioni in aria libera e si misura in litri (o decimetri cubi). In linea generale il volume della cassa dovrebbe essere paragonabile al Vas. Puntualizzato che i vari parametri di un altoparlante non sono fra loro indipendenti ma contribuiscono a determinare il comportamento globale, è suggeribile scegliere altoparlanti con VAS piccoli per casse di piccole dimensioni e altoparlanti con VAS alti per casse grandi. Per semplificare possiamo affermare che montare montando ?un altoparlante con una Vas elevata in una cassa molto più piccola, la resa in gamma bassa sarebbe poco estesa e il cono "rimbalzerebbe" come spinto da una molla, a causa del ridotto volume d'aria che le sospensioni non sarebbero in grado di contrastare. Viceversa, montando un altoparlante con un VAS basso in una cassa di volume molto ampio la sua risposta sarebbe molto estesa verso le basse frequenze ma avrebbe una scarsa capacità di risposta ai transitori dato che il cono non risentirebbe dell’"effetto molla" esercitato dall'aria contenuta nella cassa.

QES – indica il fattore di merito elettrico di un altoparlante alla frequenza di risonanza, considera le sole parti elettriche e ne misura le perdite. E' un dato adimensionale, cioè privo di unità di misura, rappresentato da un numero puro.

QMS – indica il fattore di merito meccanico di un altoparlante alla frequenza di risonanza, considera le parti meccaniche e ne misura le perdite per attrito. Come il Qes, è un dato adimensionale, cioè privo di unità di misura, rappresentato da un numero puro

QTS – indica il fattore di merito totale di un altoparlante alla frequenza di risonanza, considerando sia le parti elettriche sia le parti meccaniche. Si ottiene moltiplicando fra loro il QMS ed il QES e dividendo il risultato per la loro somma. Così come i due dati prima citati, è un fattore adimensionale, cioè privo di unità di misura, rappresentato da un numero puro. Come regola di massima, fattori superiori a 0.5 sono indicati per applicazioni in cassa chiusa (sospensione pneumatica, sealed box) , valori inferiori ben si prestano invece a casse bass-reflex.

Xmax – indica la massima escursione lineare del cono, in un solo senso, ed é espressa in mm. Maggiore é questo numero e maggiore é la pressione acustica ottenibile.

Dietro ad ogni parametro appena introdotto vi è una lunga e dettagliata teoria e formule. Per chi fosse interessato ad approfondire si rimanda alla bibliografia suggerita.

Come rilevarli

Sin dalla loro definizione sono stati messi a punto vari metodi per il rilievo dei parametri T&S, spesso lenti e laboriosi. Oggi la fonte più immediata, sono i dati dichiarati dai costruttori nei cataloghi, a cui peraltro va talvolta applicata una notevole tolleranza. Ma se, come premesso, ci troviamo di fronte ad altoparlanti “ignoti” o volessimo verificare i dati forniti? ​​ 

Oltre ai vari metodi “”tradizionali” rinvenibili in bibliografia, oggi vi sono disponibili a prezzi interessanti alcuni sistemi automatici, quale ad esempio il DATS Vx, dell’americana Daytonaudio.

E’ composto da una compatta interfaccia da collegare tramite USB ad un computer, un opportuno software di misura e gestione e due cavi da collegare all’altoparlante da misurare.

Per il dettaglio di funzionamento si rimanda al manuale dello strumento.

Vediamo invece ora alcune note d’uso pratico.

Alcuni esempi pratici di rilievo dei parametri

Per vedere assieme un poco il metodo di misura ho scelto tre altoparlanti veramente “ignoti”! Nel dettaglio sono:

- Siare anni ‘70/’80 da auto, 4”, cono e sospensione in tela trattata, guarnizione sul bordo in sughero

- Marchio e modello sconosciuto, 4”, produzione sovietica, due vie, installato come primo impianto sulle vetture Lada Niva, sospensione in gomma

- Grundig, 3”, forse ricambio per qualche TV anni ‘70, cono in cartone e sospensione in gomma, generoso complesso magnetico

Suggerimenti per le misure

Col sistema automatico è oggi molto semplice e veloce rilevare i parametri, ma per evitare grossolani errori è opportuno seguire alcune buone pratiche.

• Montare l’altoparlante su pannello rigido o appoggiato col cono verso l’altoparlante, in modo stabile

• Il supporto per le prove non deve essere magnetico

• La misura del diametro deve essere fatta considerando circa metà della sospensione

• Eseguire le misure in un ambiente silenzioso e senza vibrazioni

• 
  Illustrazione 5: Esempio di misura del Vas tramite tre piccole masse aggiuntive.

  Uno dei metodi più comodi per la misura della Vas, è tramite l’aggiunta di masse al cono dell’altoparlante. I valori idonei variano da pochi grammi a varie decine nel caso di altoparlanti di grandi dimensioni. Se la massa necessaria è piccola, può essere difficoltoso pesarla con precisione. Si può ovviare a questo, selezionando un insieme di 50-100 pezzi tutti uguali, farne una pesata totale e poi dividere per il numero degli elementi. Una buona opportunità sono le viti, purché non magnetiche o installate vicino alla sospensione e sempre in modo simmetrico in modo da no sbilanciare il complesso bobina più cono. Per fissarle, provvisoriamente durante la misura, si può ricorrere ad una minima, ma veramente minima, quantità di colla rapida, tipo cianoacrilato.

​​ Commenti alle misure

Vediamo nella tabella seguente i dati ricavati:

I primi due trasduttori mostrano anche coi loro parametri, oltre ogni lecito dubbio, la loro vocazione automotive. Non tanto o non solo per 4 Ohm di impedenza nominale quanto per la combinazione di frequenza di risonanza, fattore di merito totale e volume acustico equivalente. E’ chiaro che sono pensati per essere montati in piccoli vani chiusi, ad esempio nelle portiere. Ciò non toglie che possano trovare altre e interessanti applicazioni. Proprio i più datati Siare, con la loro bassa Vas e alta Fs, possono diventare una ottima base per piccoli diffusori da abbinare alle nostre radio sia amatoriali sia per l’ascolto delle broadcasting.

Quelli forse più “intriganti” per me sono i vecchi Grundig, così piccoli e con un così generoso complesso magnetico (0,26mH per un cono così piccolo è un valore elevato). Vediamo nel prossimo capitolo cosa, con una certa “audacia”, si può tentare di realizzare.

Una applicazione

Disponendo di ben quattro altoparlanti Grundig, ho immaginato una soluzione con due trasduttori per cassa, posti in parallelo per ottenere un diffusore da circa 4 Ohm di impedenza e ottimizzando un poco le misure tramite 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.

Nonostante l’elevato valore del Qts non lo suggerisca come allineamento, ho tentato un accordo reflex, con 4 condotti per limitare l’impatto meccanico sulla struttura del piccolo diffusore.

Vediamo nel dettaglio le misure definite:

La cassa è realizzata in multistrato da 1cm di spessore, adeguato viste le ridotte dimensioni, potenza ed estensione prevedibile alle basse frequenze. I condotti di accordo sono realizzati con sezioni di tubo PVC normalmente impiegato negli impianti elettrici. Il fondo del mobile è ricoperto con materiale fonoassorbente.

Per estendere la risposta alle frequenze più elevate, ho aggiunto un tweeter Monacor DT-70, sostituibile oggi con un più moderno DTM-104/4 se si vuole un diffusore a 4 Ohm o il DTM-104/8 per un diffusore da 8 Ohm.

Il crossover pensato è molto tradizionale e lo schema è visibile sotto:

Illustrazione 7: Crossover consigliato per la versione 4Ohm del diffusore

Le due sezioni sono del secondo ordine, con taglio a circa 4,5kHz. Occorre prestare attenzione al collegamento del tweeter, che ha polarità invertita rispetto ai medio-bassi. Questo perché sommando in fase nell’intorno della frequenza di taglio i segnali ruotati dal filtro, gli stessi si verrebbero a elidere mutuamente, causando uno spiacevole “buco” nella risposta in frequenza.

Illustrazione 8: Simulazione della risposta del filtro crossover. Notare la perfetta sovrapposizione delle due sezioni attorno alla frequenza di incrocio avendo cura di invertire la fase del tweeter

A seconda dell’efficienza del tweeter, può essere suggeribile porre in serie a quella sezione un resistore per riportarne il livello a valori comparabili alla sezione medio-bassi.

Come anticipato, nulla vieta di sviluppare il tutto con l’obiettivo di un diffusore a 8 Ohm nominali. In questo caso i due Grundig andranno posti in serie, occorrerà scegliere un tweeter di pari impedenza e aggiustare convenientemente i valori del filtro, come mostrato nelle immagini seguenti:

Illustrazione 9: Crossover consigliato per la versione 8Ohm del diffusore

Illustrazione 10: Simulazione della risposta del filtro crossover nel caso di diffusore a 8 Ohm. Notare la perfetta sovrapposizione delle due sezioni attorno alla frequenza di incrocio avendo cura di invertire la fase del tweeter

Una volta completato l’assemblaggio delle parti e installati i diffusori nel mio laboratorio, in posizione elevata in modo da non rubare spazio agli strumenti, vediamo i risultati delle misure finali.

Come prima misura ho rilevato modulo e fase dell’impedenza dei diffusori, rilevando che:

• il modulo è abbastanza costante su tutto l’arco di frequenze audio

• il picco alla risonanza è molto contenuto

• il modulo non scende mai sotto i 3,5 Ohm

• la fase ha rotazioni molto contenute

Tutto questo va a vantaggio dell’interfacciamento con l’amplificatore, che risulterà veramente poco critico.

Ultima verifica la risposta in frequenza in ambiente, al solito con rumore rosa e filtrata a terzi d’ottava. Il risultato è di grande equilibrio, con una risposta sostanzialmente piatta da 160Hz a 12,5kHz, merito della corretta progettazione del filtro crossover e dell’abbinamento dei trasduttori. Questa caratteristica dona alla riproduzione grande naturalezza alle voci e a tanti strumenti. Le altissime sono leggermente attenuate, così come prevedibile, la risposta cala apprezzabilmente sotto ai 100Hz. Visti i dati di partenza credo si possa essere più che soddisfatti. L’efficienza è oltretutto abbastanza elevata e se proprio si vogliono i bassi più profondi, si potrà sempre abbinare un buon subwoofer.

Conclusioni

Spero con questo articolo di aver sollevato qualche curiosità e voglia di sperimentare l’uso di altoparlanti non ben documentati, non più solo su basi empiriche ma seguendo un processo logico di rilievo dei parametri e progettazione di massima del diffusore. Anche con trasduttori di scarso valore (apparente) talvolta si possono ottenere interessanti risultati. Buona sperimentazione e ascolti a tutti!

Bibliografia

https://it.wikipedia.org/wiki/Parametri_di_Thiele_%26_Small

https://www.xtremewebshop.com/prodotto-149507/Thiele-e-Small---ISTRUZIONI-E-PROGRAMMA-calcolo-parametri-altoparlanti-.aspx

https://en.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small_parameters

https://www.daytonaudio.com/product/1650/dats-v3-computer-based-audio-component-test-system

http://audio.claub.net/software/jbabgy/WBCD.html