Nelle due puntate precedenti abbiamo incontrato vari metodi, sia meccanici sia elettronici, escogitati per estendere verso il basso la risposta in frequenza di un woofer, in mobili di volumi ridotti e cercando di migliorarne la linearità. Il problema tecnico è: fino a che punto è utile spingersi e dove si inizia a rischiare di rovinare tutto?

Possiamo finalmente passare a qualche considerazione pratica ed applicativa della scorpacciata teorica fatta finora. Non solo, aggregando le informazioni raccolte sul funzionamento degli altoparlanti per basse frequenze e quei pochi elementi di psicoacustica riportati, possiamo arrivare a considerazioni di superiore raffinatezza e razionalità.

Infine, aggiungendo qualche novità in queste puntate, saremo sufficientemente pronti per un approccio maturo all’inserimento nel nostro sistema di un dispositivo specializzato per le basse frequenze e ci rimarrà solo, per il seguito, di imparare a fonderne il funzionamento in armonia coi diffusori principali e col resto del sistema di riproduzione.

Ho fatto più volte riferimento alle mie passate (molto passate) esperienze specialistiche con la teoria e la pratica dei woofer e subwoofer. Dall’analisi delle varie proposte, mirate a spremere hertz dalle risposte in frequenza limitate da mobili di dimensioni cronicamente insufficienti, emergeva già chiara un’indicazione fondamentale di progetto: estendere elettronicamente la risposta in frequenza alle frequenze per cui la MOL del sistema (cioè la massima intensità acustica riprodotta con distorsione tollerabile) non risulta sufficientemente maggiore della soglia di udibilità in campo riverberato, è una fesseria.

Quelle frequenze, cavate fuori da fantasiosi marchingegni tecnologici e circuitali, rimarrebbero inudibili e produrrebbero solo distorsione, come minimo armonica, il cui effetto mascherante risulta pernicioso per la qualità dell’intero sistema.

Analizzando le misure di tanti progetti del passato, di subwoofer o di sistemi molto estesi in basso, abbondano certe risposte in frequenza, spesso dritte dritte, spinte a frequenze improbabili e non correlate né all’intensità sonora né alla distorsione associata. Si rivelano di solo valore estetico e di marketing, in uno scenario competitivo in cui il merito sembra che debba essere conquistato a suon di numeri. Possibilmente mirabolanti.

Poi, portato il sistema a casa, ci si accorge che qualcosa non va: suoni grassi e confusi, rimbombi, se non abbondante distorsione alla minima sollecitazione con “bassi veri”, portano a chiedersi se fosse veramente quello il risultato desiderato dai musicisti.

Bene. Mica tanto. Basta dare uno sguardo alle figure 3 e 8 delle prime puntate per capire come la conquista dell’estremo inferiore della banda audio si trasformi facilmente in una “missione impossibile” degna di Tom Cruise.

Come colpo di grazia, occorre ragionevolmente aggiungere che non basta individuare la frequenza d’intersezione tra la curva di MOL e quella della soglia d’udibilità: quello è solo il livello di percezione minima.

Il problema è rappresentato in figura 29: per un generico bass reflex con un componente da 8” sono tracciate le curve di risposta in frequenza e di escursione con 10 W applicati (rispettivamente azzurro e rosso). Sono state quindi aggiunte la MOL limite (verde), come definita nella 6a puntata, e, in blu, il ramo visibile della soglia di udibilità in capo riverberato (figura 3 della 1a puntata).
L’intersezione di queste due ultime curve individua una frequenza di 25 Hz ed un livello di 77 dB SPL.

Secondo il modello costruito, sarebbero le coordinate di frequenza e intensità del suono più basso che il sistema riuscirebbe a rendere percepibile, a 1 metro di distanza dalla sorgente elettroacustica. Per inciso, osserviamo che, in questo caso, a tale situazione corrisponde un’escursione non proprio riposante. Del resto, il fatto che la curva di MOL sotto i 28 Hz abbia livello più basso della risposta in frequenza tracciata per 2,83V, indica che in quella zona la potenza applicabile entro i limiti di escursione lineare è inferiore a 1 W su 8Ω.

È quindi comprensibile che non sia certo il caso di applicare alcuna equalizzazione, fosse anche un semplice passa-alto sottosmorzato, per estendere un po’ la risposta, che quindi sotto i 50 Hz risulta in caduta libera.
Il miraggio dei 25 Hz si dissolve quindi, stretto tra risposta in frequenza a -13 dB rispetto alla sensibilità nominale, escursione già eccessiva, dinamica inesistente.

Infatti, se si desidera un minimo di capacità di articolazione e di dinamica occorre aggiungere un headroom. Di quanto? Beh il minimo può essere di 6-10 dB. Dalla figura 2 della 1a puntata, abbiamo dedotto che fortunatamente all’estremo inferiore le sensazioni sopra la soglia sono compresse e i dB aggiunti alla pressione sonora valgono circa il doppio in phon di sensazione uditiva: 30 dB SPL possono essere assimilati a un intervallo di sensazione ampio 60 phon, pari praticamente a tutta la gamma dinamica che il vinile è in grado di restituire alle medie frequenze.
Il problema resta: arrivarci a +30 dB sopra la soglia di udibilità, all’estremo inferiore!

Una prima ricetta progettuale

Comunque sia, diciamo che in questo approccio raccoglievo la migliore indicazione progettuale che ero riuscito a trovare nei miei studi di 37 anni fa [rif.bibl. 7]:

1. individuare o misurare per il woofer a disposizione una stima ragionevole della MOL (magari aiutata da bass-reflex e/o da sistemi elettronici linearizzanti, a retroazione);
2. confrontarla con la soglia di udibilità in campo acustico riverberato;
3. decidere il margine di dinamica desiderabile.

Risultava così individuata, finalmente e con una buona dose di ottimismo, la minima frequenza utilmente riproducibile dal sistema, al di sotto della quale era raccomandato un energico filtraggio passa-alto, versione ammodernata del vecchio filtro “subsonico” presente in tante amplificazioni vintage.

Ma questo tentativo di razionalizzare con valutazioni psicoacustiche l’imperante approccio progettuale dell’hardware rimase a lungo sepolto tra le pagine dei miei lavori. Si continuarono (e si continuano) a sfornare sistemi che esibiscono anzitutto estensione di risposta, quasi sempre priva di adeguata capacità di pressione acustica indistorta.

Tra i principianti della passione audio, la classificazione di qualità dei diffusori evolse dalla risposta al quesito “quanti watt hanno?” al “a quanto scendono?”. I 39 Hz facevano molto più figura di 41 Hz, e i marketing manager iniziarono a premere sulla R&D per avere numeri mirabolanti.

Se, come era probabile, a certe frequenze evocative di alte prestazioni il sistema non ci arrivava flat, ci si aiutava con l’equalizzazione elettronica, allora rigorosamente analogica. Già alcuni “allineamenti” proposti nei lavori di Thiele e Small prevedevano l’aggiunta di calibrati filtri passa-alto del 2° ordine, allo scopo di guadagnare qualche manciata di hertz nella f_-3 e/o di domare le esuberanze di sistemi sottosmorzati.

Ciò contribuì a creare un fuorviante culto della “risposta massimamente piatta”, ovviamente in camera anecoica, quella pubblicata nelle prove delle riviste e nei grafici delle pubblicità, e alcuni costruttori (soprattutto inglesi) iniziarono a ingarellare esibizioni di risposte appiattite con artifici elettronici ma estese ben oltre le possibilità di componentistica ancora non specializzata nel duro lavoro delle basse frequenze.

L’adozione del bass-reflex diveniva praticamente indispensabile per cercare di contenere entro limiti stringenti l’escursione, enfatizzata dalle equalizzazioni applicate. Un esempio glorioso è riportato in figura 30.

Tra perdita di linearità di fase, con peggioramento dei transienti, distorsioni dilaganti e interazioni infelici con l’acustica ambientale, i risultati lasciavano spesso a desiderare e le colpevoli basse frequenze furono spesso crocifisse sul Golgota dell’audiofilia evoluta, quella che andava orgogliosamente oltre l’edonismo viscerale del bum-bum-bum coatto.

Scorrendo le prove pubblicate negli anni, sono innumerevoli i diffusori, anche importanti e prestigiosi, con risposte anecoiche ambiziosamente estese in basso ma con risposte in ambiente decisamente sovrabbondanti nella prima decade, che imponevano posizionamenti il più lontano possibile da pareti e angoli, nel tentativo di contenere l’esuberanza, ma che spesso, oltre a destare altre problematiche di interazione con l’ambiente (rif.bibl. 39, 40), erano comunque mortificati da MOL che franavano ripidissimamente sotto i 100 Hz.

Ecco: avere un sistema che tra 200 e 2000 Hz può raggiungere e superare i 110-115 dB di MOL ma che sotto gli 80 Hz non è capace neanche degli 80 dB, rende evidente l’utilità dell’aiuto da parte di un sub. L’utilità diviene necessità se il nostro repertorio di ascolto comprende spesso quelle 2 critiche ottave.

Del resto, in molti si è diffusa la rassegnazione al “meglio senza bassi che con bassi riprodotti male”, che per alcuni era divenuta anche un’identificazione elitaria di certa audiofilia anni ’80-90, ben cavalcata negli stessi anni dagli interessati promotori di sistemi compatti, di facile progettazione, produzione, e vendita, basati su componentistica di piccole dimensioni, adatta a produzione industriale su larga scala e a crescente valore aggiunto.

Quell’approccio speculativo era spesso applicato anche ai subwoofer.

Nell’audio professionale dei grandi spazi e delle limitazioni imposte dall’uso al limite nei grandi eventi pop-rock, aveva anche fondata ragionevolezza: se i grandi sub pro, rari e costosissimi, erano fuori portata (soprattutto in termini di logistica), per non compromettere l’intero risultato degli spettacoli all’aperto diveniva imperativo filtrare passa-alto ed eliminare quegli ingovernabili rumoracci sotto i 40-50 Hz. La techno basata su sintetizzatori si doveva accontentare delle armoniche di quei suoni al limite dell’infrasonico e, ciò che è peggio, anche le tecniche di masterizzazione adottarono le stesse semplificazioni (in compenso introducendo sempre più clipping e compressione dinamica, anche per recuperare con la quantità l’impatto perso in qualità).

Spazi aperti, e ambienti domestici

Diciamola tutta: negli spazi aperti e nei grandi auditorium il comportamento dei sistemi di altoparlanti è drammaticamente simile a quello anecoico e i grafici delle figure 6, 7, 8 e 9, pubblicate nella 2a puntata e che fissano vincoli fisici impietosi, risultano scoraggianti.

In tali condizioni, la riproduzione della prima ottava richiede tonnellate di diffusori e potenze da centrale elettrica. E tanti tanti soldi. Col risultato di un inquinamento acustico fino a grandi distanze, che impone ulteriori spese per controllare la direttività di emissione, a sua volta possibile solo con soluzioni che riducono ulteriormente l’efficienza energetica degli altoparlanti [rif.bibl. 41].

Insomma: un ginepraio.

Ma vediamo come l’ascolto casalingo possa ambire a risultati migliori e più facilmente raggiungibili.

Il pensiero che ci può guidare è che la risposta in frequenza che conta e che è desiderabile “flat” all’estremo inferiore è quella in ambiente, non quella in anecoica.

E i normali ambienti chiusi hanno un comportamento ben diverso sia dagli spazi aperti che dalle camere anecoiche ideali, quelle da oltre 1000 m³, laboratori costosissimi ormai quasi universalmente sostituiti dalle misure “a scatto”, impulsive o con tecniche derivate dal MLS.

In ambiente, le 2 decadi superiori della banda audio sono associate ad un calo naturale dell’energia, dovuto al crescente effetto assorbente/diffondente delle superfici e alla crescita di direttività dei trasduttori. Invece, la prima decade, che in anecoica esibisce regolarità scultoree, in ambiente è pressoché immune dall’assorbimento, quindi il livello energetico medio resta elevato anche se la risposta risulta tormentata dai fenomeni dei modi naturali di risonanza associati alle onde stazionarie.

Le misure delle basse frequenze

Proprio per eliminare le irregolarità introdotte dalle onde stazionarie, associate ai modi naturali di risonanza degli ambienti non idealmente assorbenti, chiunque si sia avvicinato all’affascinante pratica delle misure acustiche su altoparlanti, sa che, desiderando misure oggettive e quindi simil-anecoiche, può eseguire la misura “in campo vicino”, a pochi millimetri dal diaframma vibrante, secondo le modalità individuate da Don Keele [rif. bibl. 42]. Anche le misure delle riviste più qualificate usano tale metodo, col classico sistema del collage tra misura nearfield fino a 200 Hz e misura MLS a 1 metro (o a distanza maggiore, se opportuno per il sistema in prova).

Invece, sono molti meno i “misuroni” che considerano un’altra interessante ed elegante modalità di test dedicata alle prime ottave: la misura con microfono all’interno del mobile (per gli amici, MIB Microphone-in-Box). A formalizzarla è stata lo stesso Small [rif. bibl. 43], partendo da ipotesi fatte da Benson [rif. bibl. 44] e da studi avviati da Thiele [rif. bibl. 45], e la metodologia è talmente efficace che è stata inserita come opzione, quasi sempre ignorata, in vari sistemi di misura, sia amatoriali che professionali.

Tra questi sistemi vi è anche CLIO, i cui creatori ne hanno pure presentato i principi in una bella coppia di articoli del passato [rif. bibl. 46, 47] e godono dell’amichevole supporto dello stesso J.D’Appolito che ne descrive i vantaggi [rif. bibl. 48].

Per le implicazioni teoriche invio alle citate fonti in bibliografia, indicando solo che si ricava tutto dallo stesso modello circuitale, equivalente al sistema acustico, riportato in figura 31, tramite cui si giunge ad individuare la risposta in frequenza di un sistema a radiazione diretta [rif. bibl. 4, 7].

Vado dritto alle conclusioni: eseguendo la misura della pressione acustica all’interno del mobile, questa (opportunamente processata) risulta assolutamente rappresentativa della pressione all’esterno, anche nel caso di sorgenti multiple (come avviene nel bass-reflex, in cui si sovrappongono altoparlante e risuonatore) e ciò vale in un intervallo di frequenze utile agli scopi.

Il fatto che nel modello equivalente di figura 31 la velocità di volume U_O sia legata dalla capacità C_AB alla pressione p_B misurata nel mobile (che significa proprio ai capi di C_AB) e che la pressione acustica all’esterno sia data dal prodotto di tale velocità di volume U_O per l’impedenza complessa di radiazione, a componente prevalentemente reattiva, porta a richiedere una doppia derivazione della pressione misurata nel box per ottenere l’andamento della pressione all’esterno, a meno di una costante proporzionale al volume del box.

Nel dominio della frequenza, una doppia derivazione significa aggiungere 2 “zeri” nell’origine. In linguaggio più accessibile, ciò equivale a moltiplicare il segnale misurato per il quadrato della frequenza.

Occorre quindi applicare una funzione di equalizzazione “in salita”, con pendenza di 12 dB/ottava (2° ordine).
In realtà, come indicato anche dai riferimenti teorici, ciò vale solo in parte della “zona di pressione” interna al mobile, un intervallo di frequenze che però risulta assolutamente utile agli scopi prefissati.

A questo concetto, che porta a rivelare l’affascinante (ed utile) fenomeno del room gain sarà dedicata la prossima fondamentale puntata.