progetto e realizzazione
Come detto nella prima parte usare un carico risonante accordato significa aggiungere al volume d’aria nel box un “dispositivo” capace di risuonare liberamente ad una certa frequenza, e questo significa che il suo contributo dipenderà essenzialmente dal volume d’aria chiuso nel box e dalle caratteristiche proprie dell’elemento che abbiamo scelto. Un condotto reflex può essere molto semplice ma quanto è adatto ad un uso HiFi? Non è niente di più che un batuffolo d’aria dentro ad un condotto in perenne equilibrio tra l’aria chiusa nel box (compressa e perturbata dalle vibrazioni della membrana del woofer che ospita) e l’esterno che poi in definitiva è l’aria della nostra sala di ascolto.
Per fare le simulazioni useremo il nuovissimo Bassdesigner di Pierfrancesco Fravolini, evoluzione spinta del noto “Bass 5” che simula molto facilmente un condotto reflex “standard” a partire dalla superficie scelta (e dipendente dalla superficie della membrana del woofer) ci fornisce in tempo reale la lunghezza effettiva necessaria per farlo oscillare alla frequenza desiderata.
Una buona alternativa al condotto reflex in HiFi è una membrana passiva, potremmo tranquillamente vederla come un altoparlante non collegato in cui c’è una massa mobile e un sistema sospensivo con una sua rigidità, conoscendo i parametri di cedevolezza (Cms) superficie e massa della membrana (Mms, che solitamente in un passivo è variabile tramite l’aggiunta di pesi), possiamo tranquillamente simularlo in Bassdesigner con qualche artificio.
Si parte con un normale progetto bass reflex, si sceglie l’allineamento che ci piace e si prende nota di due dati fondamentali, il volume del box e la frequenza di accordo forniti dal progetto.
A questo punto è necessario inserire un nuovo altoparlante con le esatte caratteristiche meccaniche del passivo, Bassdesigner al momento non prevede l’inserimento diretto di un passivo, necessita di inserire parametri che un passivo non ha quali la Re, la massima escursione del cono ecc , ma possiamo usare parametri credibili di un woofer di simile fattura purché i valori di superficie diaframma, massa mobile (magari la minima disponibile) e cedevolezza siano quelli reali del passivo usato, dati che dovrebbero essere forniti dal produttore si spera con una certa precisione. A questo punto con questo “altoparlante” impostiamo un progetto cassa chiusa usando come volume di carico quello precedentemente annotato e Bassdesigner ci comunicherà immediatamente la frequenza di risonanza della cassa chiusa, il gioco sta tutto nell’aggiungere massa tramite la casella Ma per arrivare alla frequenza di accordo annotata in precedenza.
Cosa cambia usando una membrana passiva al posto di un condotto?
- L’ingombro, una membrana può essere appesantita a piacimento e possiamo raggiungere frequenze molto basse senza la necessità di aumentare il volume interno del box come succede inserendo un condotto importante.
- Una membrana passiva non produce armoniche, ok non dobbiamo essere troppo fiscali, la membrana può avere delle sue risonanze… ma non nelle entità inevitabili in un tubo. Un condotto lungo suona come una canna d’organo ogni volta che viene eccitato e questo non è molto gradito in HiFi.
- Una membrana sarà sempre “frenata” dalla rigidità delle sue sospensioni, questo significa che farà un pò di fatica a partire e un pò prima a fermarsi, cosa che potrebbe essere un bene, di contro questa stessa peculiarità ovviamente attenua lievemente il livello di uscita…o magari no? vedi il punto seguente.
- Nessuno ci vieta in teoria di usare una membrana di dimensioni importanti, questo aumenta la possibilità di “trasferire energia all’aria” o detto in altri termini riduce l’impedenza di radiazione, uno dei problemi del condotto Bass reflex è quello che in un ambiente domestico il sue effettivo contributo oltre che condizionato dall’installazione sembra anche si riveli spesso minore di quanto ci si aspetterebbe, e qui andrebbe considerato che al contrario di quanto è magari spontaneo pensare, un batuffolo d’aria ha gli stessi problemi che ha una membrana a trasferire un’onda di pressione, il fatto che (intuitivamente) si tratta di “aria che spinge su aria” non è un concetto che nel mondo reale permette cose, risultati.
Quando si fa un condotto reflex si usa una superficie del condotto non inferiore alla metà di quella del woofer (che è già piccola…) e con questa piccola superficie già si hanno problemi di lunghezza del condotto, sarebbe meglio usarne uno molto più grande ma questo porterebbe gli ingombri a crescere in modo esponenziale, crescerebbero anche i problemi legati alle risonanze naturali dei condotti, risolvibili magari in altri modi, ma restando nel concetto “sistema semplice” ci si va a complicare l’esistenza a volte al punto da costringerci a ripensare tutto. - Nessuno vieta di usare come passivo un qualsiasi altoparlante, ovviamente lavorando opportunamente sulla massa della membrana (Mms), pur se a fronte di un costo decisamente maggiore permette di misurarlo facilmente in casa e anche di intervenire per limitare il suo livello di uscita, tramite delle semplici resistenze da collegare in parallelo alla bobina. Qui è sempre bene considerare i vantaggi reali di un sistema a due vie in cui viene usato un ulteriore woofer solo come membrana risonante, a conti fatti potrebbe anche avere più senso l’aggiunta di una terza via vera.
Se proviamo a tirare le somme è facile arrivare a delle semplici conclusioni, il condotto reflex è un sistema da preferire quando la priorità è la semplicità e le frequenze di accordo sono tali da non rendere necessari tubi molto lunghi, le membrane sono da preferire se il volume del box è piccolo e le frequenze di accordo sono molto basse, in sostanza se è necessario prediligere la compattezza e se si è disposti ad affrontare un pò di macchinosità in più nella realizzazione.
Se ora torniamo ai concetti esposti prima possiamo anche dire maccheronicamente che che una f3 piuttosto bassa accompagnata dalla “necessità” o dalla “piacevolezza” di impostare un fattore di merito più basso capace di estendere più dolcemente la caduta dell’estremo inferiore ha sempre più senso virare verso una membrana passiva, con volumi del box limitati può anche essere l’unica effettivamente utilizzabile.
A titolo di esempio basta avviare Bassdesigner ed ipotizzare un allineamento Bl4 con due altoparlanti, il primo il famoso RCF L12p48 e il secondo il piccolo RS, per entrambi ipotizziamo un condotto reflex con una superficie di ½ Sd, per la prima ipotesi abbiamo 282 litri di volume del box e una Fb a 15,51 Hz che possiamo ottenere con un condotto di 177 mm di diametro e una lunghezza di 939 mm; per la seconda ipotesi abbiamo un volume di 7,13 litri e una Fb di 37,78 risolvibile con un tubo di 71 mm di diametro lungo 1109 mm.
Da notare che i volumi interni dei due condotti sono rispettivamente di 23 litri (per un volume del box di 282) e 4,3 litri (per un volume del box di 7,13) misure che prese così possono non dire nulla, ma poi nella realizzazione pratica evidenziano una crescente criticità costruttiva a fronte di piccoli volumi e basse frequenze di accordo. Tutto questo non impone una scelta piuttosto che un’altra, ma chiarisce piuttosto bene quali possano essere poi le difficoltà a cui si và incontro nel realizzarle.
Il progetto precedente in cassa chiusa prevedeva un box di 11 litri, ipotizzando ora con Bassdesigner vari allineamenti reflex noto che scendere sotto gli 11 litri di volume la lunghezza del condotto raggiunge dimensioni critiche, una soluzione percorribile prevede lo stesso volume del box di 11 litri, tutto sommato mi piace l’idea di restare sullo stesso volume della versione in cassa chiusa, nella simulazione vedo che posso arrivare ad una f3 di 40,83 Hz, vorrei una curva che inizia a scendere dolcemente sotto i 100 Hz per arrivare ai 50 Hz con una perdita di 1dB poco più e a 40 perdendone altri 2, in questo modo vorrei “confinare” la risonanza del condotto in zona diciamo “periferica”, la minima f3 è raggiungibile accordando il mobile con frequenze comprese tra 43,84 e 39,84 Hz.
Il condotto previsto a partire da un tubo di 71 mm di diametro (per una superficie dimezzata rispetto alla Sd del woofer) mostra una lunghezza compresa tra 502 e 622 mm, non userò un tubo, vedrò di integrare il condotto direttamente nel mobile, e tutto il ragionamento precedente trova giustificazione proprio in questo, è più complicato da progettare, costruire e accordare perché il carico acustico dato dalla parete di fondo che di fatto ne è parte integrante lo fa risuonare ad una frequenza inferiore a quella calcolata, si comporta come se fosse più lungo di un normale tubo che termina in aria, il problema è che non è facile stabilire quanto perché è tutto abbastanza condizionato dal mobile ma io lo farò appena più corto della lunghezza minima calcolata (502) e comunque vada dovrei restare nel range delle frequenze di accordo desiderate.
Male che vada andrò verso una frequenza di poco inferiore ma la cosa non porterà variazioni apprezzabili. Se fosse un progetto industriale avrebbe senso fare dei campioni di prova ed aggiustarli, magari con allineamenti anche più critici, ma non vedo un motivo reale che giustifichi chissà quali ricerche per chissà quali risultati.
Alla fine dopo aver tagliato i pannelli secondo le idee di progetto e aver incollato le pareti che avrebbero fatto anche da condotto interno una prova veloce l’ho fatta semplicemente usando due fondi provvisori stretti con dei morsetti senza incollaggio, tramite il foro che poi avrebbe ospitato il woofer sulla parete frontale, ho misurato una risonanza del condotto risultata più alta di una decina di Hz, che sembrava uno sproposito, ma va considerato che essendo la struttura non incollata le fessurazioni potevano essere da qualsiasi parte, del resto ho fatto tutto nella vecchia falegnameria di mio padre dove non ci sono macchine a controllo numerico, e anche l’incollaggio di una cascata di pannelli successivi può portare piccoli disallineamenti che poi non vengono compensati o assorbiti da due pannelli e due morsetti.
Comunque per sicurezza ho aggiunto il piccolo elemento visibile all’imbocco del condotto (che tra l’altro impedirà alla lana vetro di scivolare sulla bocca del condotto) e incollato il tutto, chiaramente l’angolo a novanta gradi produce effetti non proprio desiderati, quali armoniche in entrambi i lati del condotto, la soluzione migliore sarebbe stata quella di chiudere l’angolo a 90 gradi con un listello tagliato a 45 gradi che fungesse da “specchio” lasciando un adeguato spazio al flusso e non terminare il condotto con spigoli vivi, non avevo nè il tempo nè l’intenzione di andare a curare questi dettagli, a chi volesse realizzare il diffusore e volesse usare tutte le finezze di cui parlo suggerisco di accorciare il condotto di almeno un paio di cm per evitare di portare la risonanza troppo in basso, svasare con una fresa le bocche di ingresso e uscita migliora il flusso e l’estetica ma raccoglie più aria e abbassa ulteriormente la frequenza di risonanza.
Una volta fatta una rifinitura di massima dei box ho misurato le risonanze dei due condotti e i risultati sono stati ottimi, 41,2 Hz, esattamente quello che mi aspettavo, poi con l’assorbente interno (lana vetro su parete posteriore e parzialmente le laterali) la risonanza è scesa ancora sotto i 39 che è ancora accettabile, nel grafico sotto la risposta simulata da Bassdesigner accordando la cassa a 39 o 42 Hz.
Non è un prototipo di produzione per cui accetto il fatto di essere sceso al limite, soprattutto perché con questa situazione il livello che volevo ottenere a 50Hz è più basso di 1 dB, che non è poco ma in questa situazione accettabile, avevo scelto una caduta dolce sotto i 100Hz al posto di un “massimamente piatto” perché in una stanza normale le stazionarie giocano spesso a sfavore di un ascolto pulito e tendono a gonfiare quella gamma più di quanto gradisco, per cui cerco di accarezzarle con moderazione, approccio criticabile, ma è una questione di gusti.
Per il filtro sono partito dalla frequenza di incrocio del progetto precedente ElenaRS tutto il resto è completamente diverso.
Strutturalmente sono incapace di aggiustare un’idea dedicata ad una ipotesi precedente, rimettere in discussione un’idea per me significa guardarla da un punto di vista diverso, cercando di adattarla meglio a situazioni non considerate in precedenza.
Ho cercato di mantenere per quanto è nelle mie capacità una certa neutralità timbrica prendendo in considerazione un fattore che in ElenaRS non avevo minimamente considerato. Vorrei fare in modo che se qualcuno volesse realizzarlo non ci siano difficoltà ad utilizzare anche i piccoli ed economici amplificatori digitali, al di là delle considerazioni economiche relative alla qualità fornita, al senso di usarle per una riproduzione HiFi, al gusto personale e altre considerazioni del genere di cui semplicemente non mi occupo c’è un dato oggettivo, tutti gli amplificatori digitali sono terribilmente sensibili al carico, i migliori dichiarano apertamente che se l’impedenza del carico scende sotto un certo valore l’ampli va in protezione da sovracorrente, se sale al di sopra di un altro valore va ancora in protezione da sovratensione, per cui il minimo che un “progettista” può o deve fare è cercare di ottenere un carico per quanto possibile costante al variare della frequenza.
In particolare l’ideale sarebbe non scendere mai sotto i 3 ohm né salire sopra i 16/18, per fortuna abbiamo il Cross che ci permette di verificare una infinità di soluzioni senza sforzi particolari.
Il gioco sta tutto nel poter sfruttare la differenza di sensibilità tra woofer e tweeter, cosa che necessariamente porta all’uso di resistori di attenuazione nella rete del Tweeter, ho semplicemente frazionato la resistenza serie necessaria al livello di attenuazione in più elementi posizionati in diversi punti del filtro prima e dopo la “cella effettiva” (che fa capo a un classico condensatore serie e induttore parallelo) e aggiunto un partitore a monte, il tutto ovviamente tenendo in considerazione che aggiungere una resistenza serie dopo la cella di filtro oltre a spostare la frequenza di taglio porta ad una variazione della “pendenza” della curva di risposta del componente e che gli effetti sono perfettamente visualizzabili nei diagrammi del Cross. Sugli effetti delle resistenze inserite tra l’amplificatore e la cella filtro si dovrebbe chiedere ad un tecnico vero, da parte mia mi limito ad una considerazione banale, anni fa andava molto di moda nei diffusori di un certo pregio la possibilità di un collegamento BiWiring, inviare cioè dalla singola uscita di un singolo amplificatore due cavi separati per le due vie del filtro. Da un punto di vista elettrico quello che ho fatto io non è poi così diverso e da parte mia prevale un certo pragmatismo, visto che si tratta di un crossover passivo che necessita di una rete di attenuazione del tweeter perché non cercare di prendere due piccioni con una fava?
In dettaglio la cella del woofer prevede una prima induttanza serie da 1mH con una Re di 0,5 ohm seguita da una cella RC serie in parallelo al woofer, la cella RC fa capo coppia di condensatori in parallelo per un valore complessivo di 7,8 ohm in serie ad un resistore da 3,3 ohm, Per la cella del Tw iniziamo con una resistenza serie da 1 ohm a cui segue un resistore parallelo da 20 ohm (questo resistore è anche il maggiore responsabile del “freno” ai picchi di impedenza del woofer alla risonanza), a seguire abbiamo una seconda resistenza serie da 5,6 ohm a cui “finalmente” segue la cella di filtro vera e propria composta da un condensatore serie da 4,7 uF e un induttore parallelo da 0,27 mH con Re di 0,5 ohm, per finire finalmente con un’ultima resistenza serie da 5,6 ohm. Il risultato a livello di carico fornito all’amplificatore è visibile sotto:
Per un confronto veloce di seguito le curve di impedenza del “vecchio” ElenaRS che utilizza gli stessi altoparlanti:
Di seguito la Polare calcolata dal Cross, (le tre curve relative alla emissione a 2000/3000/4000 Hz) ho sistemato il filtro per avere in asse la risposta più lineare possibile, poi certo se qualcuno avesse la necessità di posizionare i diffusori più o in alto o più in basso rispetto alla posizione del tweeter all’orizzonte acustico (all’altezza delle orecchie) può sempre intervenire sulla resistenza serie al condensatore della cella del woofer per orientare i lobi nel modo che più gradisce, lasciando tutto il resto esattamente come è nel progetto.
Per le misure elettriche e acustiche durante lo sviluppo insieme ai fondamentali Bassdesigner e Cross questa volta ho usato il piccolo J-Box mk3 e come sw REW all’ultima versione disponibile (5.40) che tra l’altro ha aggiunto la possibilità di effettuare misure con la modalità di misurazione con “stimoli arbitrari” (FSAF) che può essere effettuata tramite rumore con generatore interno o volendo anche direttamente con musica a partire da un file qualsiasi
(https://www.roomeqwizard.com/betahelp/help_en-GB/html/newin5.40.html)
A questo punto resta da allestire due filtri, assemblare i diffusori e fare delle prove di ascolto e le misure finali, ma magari ne parleremo la prossima volta.
