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 La controreazione (per altoparlanti) 
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Messaggio La controreazione (per altoparlanti)
la controreazione negativa è una tecnica che obbliga un sistema a portarsi verso un punto di equilibrio.
Un esempio molto interessante è la valvola di Watt per regolare la pressione di una caldaia: quando la pressione cresce la valvola si chiude (la pressione diminuisce) quando la pressione cala la valvola si apre (la pressione cala). Qualsiasi sistema con retroazione prevede che una parte dell'uscita venga prelevata e confrontata con l'ingresso.
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Nella figura è in evidenza il percorso beta che riporta l'uscita al nodo (di ingresso del llop) dove avviene l'operazione (Vin-Vf). Quindi l'attuatore viene pilotata da questo segnale differenza.
La controreazione è detta negativa perché l'uscita viene riportata all'ingresso con il segno invertito (contrariamente la controreazione è positiva e porta il sistema alla instabilità). La controreazione ha dei vantaggi:

- aumenta la banda passante
- riduce il rumore riferito all'ingresso
- riduce le non linearità

negli amplificatori la controreazione (di tipo tensione-tensione) aumenta l'impedenza di ingresso e diminuisce l'impedenza di uscita (che è poi quello che si chiede ad un amplificatore HiFi per pilotare dei diffusori a bassa impedenza (4 o 8 ohm).
Esistono altri tre tipi di controrezione (corrente-corrente, tensione-corrente e corrente-tensione) con effetti diversi sull'impedenza di ingresso e di uscita. Per ottenere un generatore di corrente si preleva la corrente invece che la tensione.

Vediamo dove sta il "trucco". A conti fatti risulta che:
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come si vede se A è molto grande il contributo di 1/A può essere trascurato rispetto a beta e l'uscita non dipende più da A (il guadagno dell'attuatore) ma soltanto da beta (che è un numero tipicamente minore o uguale a 1). Ricordo che A è il guadagno calcolato con il carico collegato.
Se A è "forte ma stupido" può essere indotto a comportarsi come beta che è "piccolo ma intelligente". In un amplificatore operazionale (per uso generico) A è nell'ordine di centomila o più (quindi molto grande). In un ampli per HiFi (per motivi che non indagheremo) può valere qualche migliaio (ma anche molto meno).
Quindi il guadagno dell'attuatore A deve essere preferibilmente molto grande. Il fattore
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è detto margine di guadagno.
In un sistema controreazionato (tensione-tensione):
- il rumore (riferito all'ingresso) diminuisce quanto il margine di guadagno
- la distorsione armonica diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di uscita diminuisce quanto il margine di guadagno
- l'impedenza di ingresso aumenta quanto il margine di guadagno
- la banda passante (con polo dominante) aumenta quanto il margine di guadagno.

le stesse cose sono scritte qui con tutti dettagli matematici: http://www.uniroma2.it/didattica/ea/deposito/Lezione_recupero_EA1.pdf

Per contro il guadagno diminuisce quanto il margine di guadagno. Il margine di guadagno rappresenta la "ricchezza" che si può spendere per "acquistare" prestazioni migliori.
Ci sono poi cose che la controreazione non può fare per esempio migliorare lo slew rate ovvero aumentare la velocità con cui l'attuatore risponde agli stimoli in ingresso.
Va da sé che se il margine di guadagno è "piccolo" anche la riduzione della distorsione (e tutti gli altri miglioramenti) saranno "piccoli" (ed in tal caso l'uscita dipenderà ancora da A con i suoi difetti).
Se A è distorce poco non serve applicare una controreazione massiccia.
Se A è non distorce la controreazione potrebbe essere inutile.
Se lo slew rate è insufficiente o la banda passante ad anello aperto troppo limitata la controreazione porta alla distorsione di intermodulazione dinamica.
Esistono ottimi amplificatore con controreazione e ottimi amplificatori senza controreazione. Entrambe sono difficili da realizzare.
Un aspetto molto importante dei sistemi controreazionati è la stabilità rispetto alle variazioni termiche (per esempio l'offset in uscita).

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30/11/2017, 15:17
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
Come si vede nello schema del post precedente in un sistema controreazionato il segnale Vf deve essere dello stesso tipo di Vin (altrimenti la differenza vin-vf non ha senso). Anche se usiamo un sensore per prelevare l'accelerazione (o la velocità) dell'altoparlante riporteremo in ingresso un segnale in tensione.
Consideriamo lo schema che segue:
Immagine
e immaginiamo di voler chiudere un loop di reazione. La prima cosa che osserviamo è che dovremmo prelevate il segnale ai capi di Zes che però non è accessibile.
Possiamo domandarci: dato che in ingresso all'altoparlante c'è una tensione, quale è il guadagno in tensione dell'altoparlante? in altre parole quale è la tensione ai capi di Zes?
Come si vede sempre nella figura la tensione ai capi dell'altoparlante è pari alla tensione di ingresso moltiplicata per il guadagno A dell'amplificatore e per un fattore che dipende dalla resistenza di uscita dell'amplificatore (Rg) dalla impedenza della bobina mobile (Ze) e dall'impedenza mozionale (Zes). Tale fattore è sempre minore di uno. In questo senso il "guadagno" dell'altoparlante è "basso" (è sempre minore di uno).

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01/12/2017, 14:03
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
Visto che non abbiamo accesso ai capi di Zes possiamo decidere di applicare una controrezione sulla corrente che attraversa l'altoparlante. In fondo l'altoparlante è un dispositivo sensibile alla corrente e la forza che muove il diaframma vale F=BLI ed è quindi proporzionale alla corrente. Possiamo utilizzare lo schema che segue.
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Il resistore Rrif è attraversato dalla stessa corrente che attraversa l'altoparlante (trascurando quella che passa per Rf che può essere resa piccola quanto basta). Quindi ai capi di Rrif disponiamo di una tensione proporzionale alla corrente che attraversa l'altoparlante. Se linearizziamo questa corrente linearizziamo anche la corrente che attraversa l'altoparlante.
Per analizzare lo schema proposto si deve calcolare il guadagno ad anello aperto da qui:
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Ora Rrif potrebbe avere, in linea di principio, qualsiasi valore ma, per limitare l'escursione di tensione e la potenza dissipata (che sarebbe persa) conviene tenerla bassa. In genere si sceglie inferiore a un ohm.
Ne segue che il guadagno ad anello aperto del nostro amplificatore si riduce: se Rrif vale 0.5 ohm e Re vale 3 ohm, il guadagno si riduce di almeno 6 volte. In corrispondenza alla risonanza Zes può valere decine di ohm ed il guadagno si riduce ulteriormente.
Se si riduce il guadagno si riduce anche il margine di guadagno e con esso la possibilità di correggere le non linearità.
In questo senso il "guadagno" del sistema è "basso" (si veda per esempio qui il confronto tra risposta con e senza controreazione per la 3A e l'MFB: http://www.mariobon.com/Articoli_storici_AES/SUONO/Diffusori_attivi.pdf.
Nell'MFB quello che manca per estendere la risposta deve venire dall'amplificatore.

A questo punto ci si può chiedere se sia più conveniente realizzare questo sistema dove parte della distorsione prodotta dall'altoparlante viene linearizzata agendo sulla corrente oppure scegliere di linearizzare direttamente l'altoparlante.
Il sistema Klippel (disponibile da alcuni anni) consente di realizzare altoparlanti molto più lineari. Mentre il costo della progettazione dell'altoparlante si divide sul numero di altoparlanti prodotti, il costo del sistema di controreazione va applicato a ogni altoparlante. Ancora una volta si potrà considerare se conviene seguire una o l'altra strada.

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01/12/2017, 14:03
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
Le considerazioni precedenti si applicano, in linea di principio, agli altoparlanti controreazionati in velocità (vds Andante 3A, di molto anni fa, con ponte di velocità http://www.mariobon.com/Articoli_storici_diffusori/Andante3A.pdf) o in accelerazione (con accelerometri tipo Philips Motional Feedback http://www.mariobon.com/Articoli_storici_diffusori/MFB_Philips.pdf) o con trasduttori capacitivi (ci sono diversi esempi in rete) o prelevando il segnale di correzione attraverso una doppia bobina.
L'unico che produce sistemi controreazionati, se non ha smesso, è Audio Pro con l' ACE-BASS ( http://www.mariobon.com/Glossario/___Altoparlante/ACE_BASS.pdf ).
Il Sub woofer Audio Pro B4-200 è dei più bei progetti che possa ricordare: implementa almeno 3 soluzioni per ridurre la distorsione:
- reflex
- 4 woofer in push-pull acustico (8" con 18 mm di spostamento per SD totale di 880 cm2)
- ACE-BASS (pilotaggio in corrente con impedenza negativa ed equalizzazione).

Utilizzare la controreazione per migliorare le prestazioni di un altoparlante (woofer in particolare) è possibile ed è stato fatto. Ora avviene molto meno. Ma quando questa tecnica era in auge i woofer non erano quelli di oggi. Forse è questo il motivo per cui questa tecnica non è più tanto utilizzata.

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01/12/2017, 14:03
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
The 18 Sound iD series transducers are designed to couple perfectly with iPAL Differential Pressure Control technology from Powersoft S.p.A.
The iPAL power amplification module features a zero latency pressure-sensor feedback applying real-time correction to maximize the select 18 Sound high efficiency transducers for unparalleled output at low frequencies.
Traduzione ha scritto:
I trasduttori della serie iD di 18 Sound sono progettati per adattarsi perfettamente alla tecnologia di controllo della pressione differenziale iPAL di Powersoft S.p.A.
Il modulo di amplificazione di potenza iPAL è dotato sensore di pressione a latenza zero per il feedback che applica la correzione in tempo reale per massimizzare i trasduttori ad alta efficienza 18 Sound selezionati per ineguagliabile resa alle basse frequenze.

http://www.eighteensound.com/TECHNOLOGIES/iPAL


http://www.eighteensound.com/Portals/0/ ... 115934-097

PS
Sto finendo di progettare 2 sub con due 21" ognuno...
questi:
http://www.eighteensound.com/Products/A ... /3314/21id


02/12/2017, 22:39
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
Scusatemi se "sono di teak"! :oops:
Quali sono le affinità tra il sistema iPAL e il sistema ACE BASS Audiopro?


03/12/2017, 10:15
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
ouragan66 ha scritto:
...
....
PS
Sto finendo di progettare 2 sub con due 21" ognuno...
questi:
http://www.eighteensound.com/Products/Articles/Detail/catid/4050/eid/3314/21id

L'SPL di allineamento raggiunge 105 dB con 2.83 Volt che diventano 100 dB con un Watt (su mezzo spazio). L'efficienza (riferita allo spazio intero) a spanne vale circa 5% (si tratta di un woofer con diaframma da mezzo chilo....).
Azzardo delle ipotesi.
Si tratta di un altoparlante concepito per lavorare in un volume molto piccolo (rispetto al suo diametro) per produrre pressioni molto elevate (117 dB a 40 Hz su mezzo spazio).
Per lavorare in volumi piccoli è stata aumentata la massa.
Per recuperare sensibilità è stata ridotta RE.
Lo spostamento volumetrico massimo di picco vale 2.3 litri. Questo significa che, se il volume della cassa è di 46 litri (e potrebbe esserlo anche in cassa chiusa...), le compressioni e le rarefazioni dell'aria all'interno del cabinet non sono più lineari (arrivano al 5% del volume disponibile). Da qui la necessità di correggere in qualche modo il movimento del diaframma. Qui è stato scelto un controllo sulla differenza di pressione interno/esterno del cabinet. [nota: studiando meglio il sistema, a posteriori, questo è uno dei "difetti" che viene corretto.]
Un oggetto del genere è molto utile nelle applicazioni professionali perché riduce pesi e volumi. Richiede giustamente un amplificatore dedicato con DSP ecc.
Non per nulla S18 e PowerSoft si occupano di quel settore.
Il volume del cabinet, in genere, agisce come una molla lineare che si somma alla elasticità dello spider (meno lineare) formando una elasticità complessiva più lineare (riducendo la distorsione). In questo caso la "molla" fornita dal cabinet (senza la correzione) peggiorerebbe la distorsione propria dell'altoparlante. Se non si facesse così non si potrebbero sfruttare i 14 millimetri di spostamento dell'apparato mobile (già molto lineare di suo).

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03/12/2017, 11:54
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
ouragan66 ha scritto:
The 18 Sound iD series transducers are designed to couple perfectly with iPAL Differential Pressure Control technology from Powersoft S.p.A.
The iPAL power amplification module features a zero latency pressure-sensor feedback applying real-time correction to maximize the select 18 Sound high efficiency transducers for unparalleled output at low frequencies.

http://www.eighteensound.com/TECHNOLOGIES/iPAL


http://www.eighteensound.com/Portals/0/ ... 115934-097

PS
Sto finendo di progettare 2 sub con due 21" ognuno...
questi:
http://www.eighteensound.com/Products/A ... /3314/21id

Non è "esagerato"?
Push-Pull? Per ridurre distorsioni?


03/12/2017, 12:38
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
Dipende da dove si vuole arrivare. Con uno di quei woofer può ottenere:
101 dB a 16 Hz (sinusoidale, SPL suono diretto a 1 metro, 104 dB di picco)
113 dB a 32 Hz
117 dN a 40 Hz
125 dB a 64 Hz
su mezzo spazio. Con due woofer sale di 6 dB, poi l'ambiente metterà il suo. Soprattutto con un volume della cassa ridotto.

Consideriamo che il programma musicale abbia uno spettro piatto da 20 a 20000 Hz e che il sub woofer sia chiamato a riprodurre 4 terzi di ottava (da 32 a 80 Hz). Al sub woofer arriveranno 4/30 dell'energia complessiva (-8.75 dB ma consideriamo) consideriamo -8 dB per tenere conto anche del roll on e roll off della risposta (vedi figura qui sotto).
Immagine
Questo significa che, quando il sistema riproduce l'intero rumore rosa a 120 dB (a un metro su mezzo spazio) il woofer da solo produrrà 8 dB in meno (102 dB). Il sistema è quindi ampiamente sovradimensionato (per uso domestico) anche con un solo woofer.
Partendo da un rumore rosa con FC=4.2 e filtrando si ottiene un segnale con FC=3.5 che è ancora "poco" rispetto alle possibilità del woofer (anche se questa valutazione è una pura stima).

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03/12/2017, 13:03
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Messaggio Re: La controreazione (per altoparlanti)
TeoMarini ha scritto:
Scusatemi se "sono di teak"! :oops:
Quali sono le affinità tra il sistema iPAL e il sistema ACE BASS Audiopro?

Sono entrambe sistemi controreazionati. L'ACE_BASS sfrutta una controreazione in corrente ed un amplificatore a impedenza di uscita negativa per compensare i picchi di impedenza del woofer quindi è tutto "elettronico".
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Il sistema iPAL utilizza un sensore differenziale di pressione.
La scopo è lo stesso: ridurre la distorsione ed estendere la banda passante (verso il basso).
Il sistema iPAL però è rivolto al professionale dove sono essenziali pressioni SPL molto alte ma anche dimensioni ridotte. Penso che chi allestisce concerti negli stadi con il sistema iPAL farà i salti di gioia: ridurre le dimensioni a un quarto significa scaricare un camion invece di 4. Ridurre il peso significa montare il palco in meno tempo, con meno persone e con meno rischi.
Ormai per Vasco Rossi Ligabue e compagni si parla di milioni di Watt installati...

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03/12/2017, 16:47
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