Iniziamo a tirare le somme delle varie informazioni raccolte nelle 10 puntate precedenti e le completiamo con qualche considerazione pratica.

La monografia “La scienza del subwoofer” ha voluto fortemente celebrare il riscoperto interesse per i subwoofer, il componente che mancava.

Colpevolmente.

I subwoofer servono a far vibrare il corpo, letteralmente, carne, ossa e quello che c’è intorno, più che a far vibrare l’anima con le prestazioni cerebrali associate a quel lessico audiofilo, spesso abusato, che per decenni ha prevaricato le scelte progettuali e commerciali, monopolizzando l’interesse e le risorse degli appassionati.

La provocazione è palese, all’insegna di “riprendiamoci la fisicità e il coinvolgimento”, il cui sacrificio mortifica la fedeltà all’emozione degli eventi musicali che si intende riprodurre.

Nel corso della trattazione non sono mancati ragionamenti su alcune consuetudini, storicizzate e demolite, pur rappresentando per molti delle granitiche sicurezze.

Eccone alcune.

Ma quanto scende?

Va ridimensionato anzitutto il ruolo della risposta in frequenza in condizioni anecoiche (reali o simulate) e le inutili dichiarazioni di estensione, a -3, -6 o -10 dB. La risposta in frequenza (FR) è quasi sempre relativa ad un livello di riferimento di 90dB SPL, che alle frequenze più basse significa “appena sopra la soglia di udibilità”. Inoltre la FR non fornisce alcuna informazione sull’andamento della distorsione: potremmo vedere i 30Hz a -3dB, che è un buon risultato, ma a tale frequenza la distorsione potrebbe aver già trasformato un do1 in una pernacchia.

Chiedere per un subwoofer “ma, quanto scende?” indica un’inesperienza paragonabile a quella del pivello che, di fronte a un qualsiasi sistema di altoparlanti, chiede “ma, quanti watt ha?”.

I limiti di funzionamento degli altoparlanti specializzati in bassa frequenza sono essenzialmente meccanici. Ma questi sono legati al volume V_D (aria che possono porre in vibrazione) solo nella simulazione col modello matematico.

Quindi, valutando il rilevante parametro X_MAX, nella realtà delle prestazioni, oltre al “quanto” conta, molto, il “come”, cioè la linearità del sistema complessivo. Avere escursioni e/o superfici enormi può risultare deludente se la cedevolezza e/o il fattore di forza sono asimmetrici, o crollano all’allontanarsi dalla posizione di riposo.

Le recenti prove di laboratorio di eccellenti subwoofer per uso domestico hanno dimostrato che l’ottimizzazione di tali parametri non dipende tanto dalla forma o dal materiale del bordo, che ha peso meno che trascurabile sulla prestazione complessiva, rendendo praticamente di puro valore accademico le speculazioni filosofiche sui diversi materiali e profili del bordo.

La caratterizzazione più utile del potenziale del woofer è quindi data dai grafici di MOL, cioè del massimo livello acustico ottenibile mantenendo distorsione accettabile. E, volendo spingerci all’estremo udibile, abbiamo imparato quanto sia importante considerare la psicoacustica, confrontando la MOL con la soglia di udibilità. Ma non con quella classica delle curve di Fletcher&Munson, in quanto anche negli aggiornamenti quelle si riferiscono alla percezione binaurale, cioè in cuffia, priva del contributo sensoriale del resto del corpo, fondamentale al calare della frequenza. Quindi la soglia di udibilità utile è quella in campo riverberato, ed è assolutamente inutile strapazzare l’altoparlante alle frequenze a cui non è in grado di produrre suoni udibili indistorti. La banda fuori della sua portata, meglio attenuarla. Infatti, nella quinta puntata abbiamo anche discusso come la psicoacustica abbia ruolo importante nel rendere i prodotti di distorsione armonica molto più udibili (e quindi perniciosi) di una fondamentale che magari annaspa nel roll-on (un’analisi più completa dovrebbe considerare anche i fenomeni del mascheramento uditivo).

Le armoniche delle prime 2 ottave risultano anche di provenienza molto più individuabile rispetto alle frequenze delle fondamentali. Quindi i subwoofer di bassa qualità restano anche più “staccati” dai diffusori principali, individuabili come qualcosa non in armonia col sistema.

Gommoni e car audio

Nella nostra analisi abbiamo a suo tempo discusso l’infondatezza del pregiudizio nei confronti dei vistosi bordi in gomma, ereditati dalle filosofie costruttive introdotte nel car audio degli anni ’90. È in quel settore che furono introdotti componenti specializzati, con spider rigido, come i componenti professionali, ma con masse mobili importanti e meccanica adatta a grandi escursioni.

Altra caratteristica era la bassa efficienza, nonostante resistenze di bobina mobile quasi a livello di corto circuito e complessi magnetici imponenti.

L’aggressività, se non il gigantismo, delle apparenze si meritò rapidamente l’ostracismo del popolo audiofilo, sempre un po’ blasé, che affibbiò a quei componenti esibizionisti il marchio d’infamia di “gommoni”. Per reazione, da parte di alcuni, si promosse una discutibile idealizzazione della componentistica professionale, quella dei grandi diametri e dei bordi di tela pieghettata, considerati indistruttibili, erroneamente.

Se è vero che nell’uso casalingo si rivelano deludenti, in termini di estensione e distorsione, moltissimi subwoofer da car audio estremo, quelli solitamente associati all’iconografia di capelli scompigliati dalle turbolenze create con amplificazioni da vari chilowatt, è altrettanto vero che la maggior parte della componentistica professionale, anche quella classificata come subwoofer (che nel pro significa “fino a 32 Hz”), si rivela inadeguata a prestazioni estreme (che nel domestico significa “fin sotto i 20 Hz”) in sistemi d’ingombro ragionevole, in abitazioni normali.

La differenza la fa l’ambiente-tipo di installazione. Nel car audio il room gain degli abitacoli enfatizza progressivamente la banda già sotto i 70-90 Hz, per cui una risposta estesa risulta già ottenibile da componenti con frequenza di risonanza relativamente elevata, montati in mobili compatti, per giunta in un ambiente rumoroso, che riduce l’evidenza della distorsione.

Invece, i componenti professionali, pensati per elevate pressioni acustiche in grandi spazi, devono abbandonare a priori l’estensione ad estremi infrasonici (a parte la componentistica iperspecializzata, enorme, che impone dimensioni non domestiche), dovendo dare priorità all’affidabilità e all’efficienza. La banda è quindi solitamente limitata, escludendo a priori la prima ottava, normalmente fuori della portata di sistemi “umani” per dimensioni e costi.

Ecco che nei migliori subwoofer domestici in commercio (e per AUDIOreview ne ho provati a fondo tra i più rappresentativi) troviamo ormai solo componenti specializzati, con caratteristiche ereditate da entrambi i mondi, del car audio e del professionale, in progetti che comprendono regolarmente l’aiuto dell’elettronica per ottenere prestazioni estreme in ingombri insospettabilmente ridotti.

Ecco che nei migliori subwoofer domestici in commercio (e per AUDIOreview ne ho provati a fondo tra i più rappresentativi) troviamo ormai solo componenti specializzati, con caratteristiche ereditate da entrambi i mondi, del car audio e del professionale, in progetti che comprendono regolarmente l’aiuto dell’elettronica per ottenere prestazioni estreme in ingombri insospettabilmente ridotti.

Dal car audio sono state acquisite le soluzioni tecniche che consentono escursioni inusitate mentre dal professionale si sono riprese le tecnologie che aumentano la tenuta in potenza e riducono le distorsioni.

Certo, la tentazione di utilizzare componenti dichiaratamente appartenenti al car-audio o al professionale può essere irresistibile. In merito non deve esserci alcun pregiudizio, purché si padroneggino le variabili di progetto, si dia per scontata la necessità di correzioni elettroniche, si sappiano valutare in dettaglio vantaggi e limiti di tali scelte e non si perda di vista l’obiettivo.

E il bass-reflex?

Un altro mito involontariamente demolito nella nostra analisi è stato quello del bass-reflex, la cui presenza è divenuta pervasiva, negli anni ‘80-90, col diffondersi dei minidiffusori, che ben ne traggono vantaggio sia per l’estensione della risposta che per il contenimento dell’escursione.

Per carità, vantaggi che farebbero comodo anche ai subwoofer ma che risulta praticamente impossibile far quadrare tra quantità d’aria in movimento, risposta in frequenza spinta all’estremo inferiore, dimensioni ragionevoli per mobili e per condotti di accordo. Per le variabili in gioco, i condotti di accordo rischiano di divenire acrobatici: piegamenti, serpentine, sezioni variabili che si espandono solo alle estremità di bocca, per ridurre le turbolenze, tutti espedienti che talvolta ispirano solo tanta tenerezza.

La risposta, come al solito, è “Dipende!”.

Il bass-reflex resta una scelta obbligata in almeno 2 casi:

1. se l’altoparlante è dichiaratamente insufficiente a raggiungere l’estremo-banda inferiore, pur tenuto conto dell’inserimento in ambiente. Un accordo reflex in prossimità della minima frequenza utile può aiutare a contenere la distorsione e lo stress meccanico, purché appena sotto si filtri drasticamente passa-alto, evitando disastri e rotture.
2. se il sistema deve lavorare continuamente in condizioni vicine al limite, come accade negli spazi molto ampi, o addirittura all’aperto, nel professionale e nel semiprofessionale, in cui occorre recuperare margine di sicurezza, anche rinunciando a qualche manciata di hertz di estensione.

Del resto, nel professionale sono accettate (entro opportuni limiti) dimensioni e pesi maggiori del domestico. Diviene quindi più possibile trovare la quadra tra volume del mobile, sezione e lunghezza del condotto reflex e frequenza limite inferiore, comunque regolarmente più alta di confrontabili sistemi domestici, in cui quella quadra è praticamente irrisolvibile per i sistemi realmente orientati a prestazioni estreme.

Inoltre, nei grandi spazi del pro, anche al chiuso, il room gain è inesistente e l’estensione in frequenza utilizzabile è quella propria del sistema. Non un hertz di più. Di contro, se un progetto per uso domestico, che miri realmente a rendere riproducibile l’estremo inferiore, prevede le grandi escursioni e le grandi superfici, indispensabili per l’efficace estensione della MOL, il bass-reflex è praticamente spacciato: il corretto dimensionamento della porta risulterebbe regolarmente incompatibile con le ragionevoli dimensioni di un mobile che sia veramente “mobile”, cioè spostabile, per peso e dimensioni.

L’equalizzazione

La classica “coperta corta” dell’estensione efficace della risposta in frequenza, dell’efficienza, degli ingombri, dell’affidabilità, ha portato la progettazione di subwoofer ad introdurre l’universale aiuto dell’elettronica. Dai più semplici circuiti passa-alto, già proposti nella seminale trattazione di Thiele e Small, ai più sofisticati dispositivi DSP, completi di limitatori dinamici e di equalizzatori ambientali.

Nella ottava puntata abbiamo visto che la trasformazione di Linkwitz, nelle sue varie interpretazioni, ma realizzabile anche (con limitazioni) tramite la rete in figura 37, con un unico amplificatore operazionale, più che un’equalizzazione realizza un’elegante “compensazione”, spostando a frequenza più bassa i 2 poli principali del sistema [rif.bibl. 7, 30, 31].

La risposta in frequenza dell’elettronica di trasformazione, che nell’intervallo attivo è complementare a quella dell’altoparlante montato nel mobile, neutralizza così il crollo della risposta sotto la frequenza di risonanza del sistema: più l’efficienza si riduce, più potenza viene richiesta all’amplificatore.

Tutto va bene finché si resta entro i limiti sopportabili dall’altoparlante, solitamente ben inferiori alla potenza elettrica che si può richiedere all’amplificatore.

Abbiamo lì accennato anche all’uso dell’elettronica per linearizzare il funzionamento dell’altoparlante, tramite soluzioni circuitali ancora più sofisticate (reazione positiva o controreazione) che, di fatto, all’enfasi della risposta, simile ai casi precedenti, uniscono interventi dinamici di superiore complessità ingegneristica.

Ma quanta potenza serve?

Uno degli aspetti glamour dei subwoofer moderni più prestanti è quello di essere associati a potenze elettriche sconosciute nel secolo scorso, che spesso superano abbondantemente il chilowatt.

Le ragioni ci sono e sono svariate.

La principale è che, al di sotto della frequenza caratteristica del sistema (che possiamo associare alla risonanza del woofer nella condizione di lavoro), l’efficienza della trasduzione precipita e, per mantenere costante la pressione acustica, occorre almeno moltiplicare per 16 la potenza applicata, per ogni ottava di estensione della risposta. E già questo fa capire come, con l’estensione della risposta, non si possa esagerare.

Sicuramente, proprio le tecnologie introdotte nel car audio degli anni ’90 hanno dato la stura all’escalation delle potenze: membrane pesanti, anche per le strutture necessarie a resistere a stress meccanici elevatissimi, unite alla rigidità necessaria a tenere sotto controllo l’escursione; efficienza scarsa, nonostante bobine a bassa impedenza e complessi magnetici enormi.

Di conseguenza, sono cresciute le dimensioni delle bobine mobili, in diametro, in lunghezza e in sezione del filo, con ulteriore aumento della massa mobile. Le mode estreme delle gare car SPL e la disponibilità di potenze elettriche elevatissime, consentite dalle amplificazioni a commutazione, hanno fatto il resto, pur se nel car audio, molto aiutato dall’acustica dell’abitacolo, il ricorso all’equalizzazione non è assolutamente indispensabile.

Non è andata troppo diversamente nel settore professionale: l’abbassamento di uno o due terzi d’ottava delle frequenze considerate limite inferiore necessario a riprodurre gli effetti della musica techno (pur non essendo estreme in assoluto), unito alla disponibilità di alte potenze elettriche ed alle esigenze della logistica e dei costi, ha imposto la radiazione diretta bass-reflex e l’abbandono dei carichi acustici ispirati alle trombe, che richiederebbero dimensioni inopportune e costi impossibili.

Anche in questo settore abbiamo assistito quindi alla crescita delle dimensioni dei motori e all’aumento delle escursioni meccaniche, anche se ben inferiori agli estremi del car audio, grazie a superfici radianti e volumi di carico mediamente maggiori. E anche in questo settore il ricorso all’equalizzazione è limitato: non si possono sovralimentare sistemi già dimensionati per lavorare in prossimità dei limiti strutturali degli altoparlanti.

Nei subwoofer domestici la ricerca di prestazioni da “effetto wow” richiedeva estensione della risposta anecoica almeno una ottava più in basso rispetto al car audio, a causa delle maggiori dimensioni dell’ambiente. Sarebbero frequenze molto simili alle soluzioni del professionale, col vantaggio di un contributo dell’ambiente capace di farci arrivare agli infrasuoni, estensione pressoché impossibile nei grandi spazi del professionale.

Ma come affrontare il problema degli ingombri? Quanti accetterebbero mai di mettersi in salotto soluzioni da sotto-palco o da discoteca?

Ecco che l’accademia del subwooferismo domestico ha attinto dalle esperienze costruttive del car audio e del professionale, per realizzare una componentistica specializzata, capace di lavorare in volumi ridotti (quasi sempre chiusi, per motivi già discussi), e che usano la robustezza meccanica e la potenza sopportabile non tanto per produrre pressioni acustiche estreme quanto per guadagnare estensione grazie all’onnipresente supporto dell’elettronica.

Se non si vogliono complicazioni di limiter e di compressori della dinamica, incompatibili col purismo invocato dalla clientela hi-fi, la potenza elettrica deve essere calibrata sulle caratteristiche del sistema acustico. Si tratta di un approccio progettuale iperspecialistico, basato su tutte le competenze, anche psicoacustiche, illustrate in tutte le puntate precedenti.

Oltre alla potenza elettrica valutabile “a regime”, a complicarci ulteriormente la vita arriva l’elevata inerzia delle masse mobili dei subwoofer moderni più prestanti, che normalmente si misura in ettogrammi. Per la dualità elettro-meccanica, tale inerzia si riflette in un elevato carico elettrico capacitivo che, da fermo (=condensatore scarico), non è molto diverso dal cortocircuito.

Ecco che, nei transitori con energia concentrata a bassa frequenza, in cui una pesante membrana debba improvvisamente passare da uno stato di quasi-quiete a oscillare con ampiezze di oltre 1 centimetro, la richiesta di corrente impulsiva può divenire di decine di ampere. E non è un’esigenza banale, a meno che l’amplificazione non abbia adeguato dimensionamento.

Sono quindi da archiviare come obsolete le vecchie amplificazioni da poche decine di watt [rif.bibl. 2, 13], attingendo alle più recenti amplificazioni ad alta efficienza, in grado di decuplicare il potenziale, a parità di costo.

Per gli autocostruttori con velleità telluriche sono in commercio moduli elettronici per subwoofer, che contengono l’interfaccia d’ingresso del segnale, il controllo di vari parametri di adattamento col sistema principale e con l’ambiente, e amplificatori di potenza adeguata. Alcuni offrono front-end basati su DSP, come ormai scontato nei subwoofer commerciali di alta gamma, che in più offrono spesso regolazione da telecomando o dispositivi portatili, tramite sofisticate app dedicate, del nutrito insieme di parametri di interfacciamento.

Il posizionamento in ambiente

Diciamolo subito: il posizionamento del subwoofer nell’ambiente d’ascolto può essere un’arte, in cui la scienza dei modi di risonanza e le necessità pratiche della convivenza devono essere conciliate con del tempo per prove sperimentali e con una buona dose di fortuna.

Conviene chiarire subito che nella zona dominata dai modi di risonanza (onde stazionarie), eventuali criticità avverse causate dall’ambiente d’ascolto sono molto complesse da affrontare senza in radicale intervento sull’ambiente. Non è questione né di trattamento acustico, che risulta inefficace a queste lunghezze d’onda, né di diavolerie digitali, spacciate per miracolose.

Recuperando l’analisi già oggetto di un illuminante articolo pubblicato in passato [rif.bibl. 50], per un singolo subwoofer come quello della figura 38A, il massimo supporto del room gain alla pressione acustica può essere ottenuto posizionando il subwoofer vicino a un angolo. Ma tale posizione ecciterà maggiormente i modi principali della stanza, nella zona di dominio modale, e quindi potrebbe fornire anche la risposta meno uniforme nella sala d’ascolto, con punti “caldi” e punti in cui la risposta precipita.

Nella figura 38B il subwoofer è spostato a 1/3 della lunghezza totale della parete, per distribuire l’eccitazione su più modi della stanza. La pressione complessiva sarà leggermente inferiore, ma rende possibile ottenere una risposta più uniforme nelle diverse posizioni di ascolto.

Ci sono molti altri fattori che condizionano i risultati: una stanza con minimalista arredamento “zen” e con dimensioni in multipli esatti, o -peggio ancora- perfettamente quadrata, è ben diversa da stanze di forma irregolare, magari sghembe, arredate con grandi mobili e con aperture verso altri ambienti.

Tutti i più autorevoli studi pubblicati indicano che, nei sistemi più avanzati e che vogliano eliminare i compromessi, sia necessario utilizzare da 2 fino a 8 subwoofer indipendenti (ognuno con una propria calibrazione di livello, fase, ritardo e risposta in frequenza) per rendere uniforme la risposta in ogni punto della stanza e renderla godibile per più ascoltatori. Ovviamente ciò consente anche di ottenere livelli acustici più elevati e distorsione molto minore, anche in spazi molto grandi.

Onestamente, considerato anche l’aumento dei gradi di libertà e l’associata complessità di calibrazione del sistema, nonché l’impatto sul budget, sui cablaggi e sugli ingombri, considero altamente improbabile installare più di 4 sub in posizioni diverse. Le figure da 38C a 38F riportano alcuni esempi di posizionamento di 2 o 4 sub.

Un primo grosso problema è dato dai collegamenti: diviene praticamente obbligatorio ricorrere a tecniche di collegamento wireless tra subwoofer e sorgente di segnale. Si tratta di collegamenti digitali, che comprendono convertitori AD in trasmissione, modulazione digitale, ricevitori, controllo della latenza di comunicazione e l’impossibilità di avere nel subwoofer il filtro passa-alto per i diffusori principali. Ovviamente sono soluzioni fuori portata per l’autocostruzione, disponibili solo sui modelli commerciali più pregiati, e di certo non gratuitamente.

Per la taratura di sistemi multisub diviene praticamente indispensabile l’ausilio di software di misura in ambiente, dotati di funzioni dedicate all’analisi modale. Alcuni subwoofer di alta gamma prevedono soluzioni automatiche ed incorporate, che utilizzano appositi microfoni o che si appoggiano a quello di un cellulare che funge anche da interfaccia utente. In alternativa occorre una cultura ed un’esperienza elettroacustica superiore, come minimo in grado di usare il già citato REW (Room Equalization Wizard), predisposto alla sinergia coi DSP di equalizzazione ambientale.

Intendiamoci: a tali livelli di complessità si rischia di trasformare l’installazione dei subwoofer da una pratica oggettivamente specialistica ad una attività addirittura accademica, come evidente dai brillanti lavori di ricerca che continuano ad essere pubblicati sull’argomento [rif.bibl 51, 52] e la cui analisi andrebbe contro gli obiettivi di accessibilità fissati fin dalla presentazione di questa monografia.

La specializzazione e l’esperienza sono spesso sottovalutati, anche (e soprattutto) in ambito professionale, dove sono ancora troppo pochi i superesperti realmente dotati delle competenze indispensabili all’impeccabile ottimizzazione delle soluzioni, anche nel dominio del tempo [rif.bibl.53].

Ovviamente non bisogna assolutamente scoraggiarsi: di una regolazione approssimativa e perfettibile non è mai morto nessuno e, in attesa che troviate uno specialista, potrete tentare le seguenti indicazioni per iniziare a formarvi una vostra esperienza.

Dotatevi di un generatore di rumore rosa filtrato a ottave e terzi d’ottava. I file audio sono sicuramente reperibili in rete ed anche tramite i servizi di streaming.

Piazzate il subwoofer in corrispondenza della posizione di ascolto e riproducete l’ottava centrata a 63 Hz ad un livello ben udibile ma non fastidioso, perché magari ci vorrà un po’…

Quindi, valutate l’intensità acustica del rombo del rumore rosa filtrato, nelle posizioni candidate a ospitare il subwoofer (o in tutte quelle dove la cosa sia praticamente possibile).

Se non vi fidate delle vostre orecchie potete utilizzare un fonometro, anche di fortuna, come potrebbe esserlo un’app dello smartphone, purché in grado di eliminare la pesatura e di avere un sufficiente tempo d’integrazione.

Grazie alla reciprocità dell’acustica dell’ambiente, le posizioni in cui il livello acustico risulta maggiore sono quelle da considerare per piazzarci il subwoofer, in cui risulterà migliore l’efficienza.

Vedremo nella prossima puntata come completare la taratura, cercando il miglior incrocio coi diffusori principali.