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 Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia. 
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Messaggio Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Aggiornato i 30 Agosto 2019
Quasi tutti i progetti cominciano dalla fine. Per un diffusore acustico quello che conta di più è l'ambiente quindi si devono fissare alcuni parametri in funzione dell'ambiente di ascolto. Questa è una cosa che un autocostruttore può fare perchè sa già in quale ambiente andrà ad ascoltare musica.
Vediamo di mettere i dati in un ordine più o meno logico:
- budget (quanti soldi voliamo spendere)
- Massimo SPL richiesta nel punto di ascolto,
- Minima frequenza risproducibile (estensione verso il basso) ovvero genere musicale,
- dimensioni del mobile,
- posizione nell'ambiente (importante se si decide di mettere il diffusore in angolo).

Il genere musicale può essere determinante:
- musica per organo estensione alle basse teoricamente 16 Hz e fattore di cresta attorno a 5
- musica sinfonica/pianoforte estensione fino a 27 Hz e fattore di cresta 10 (o più)
- musica da camera/Jazz estensione 40 Hz e FC 10 (o più)
- musica pop/rock moderna estensione 40 Hz e FC nell'ordine di 5

Giussani consigliava di non superare una pressione di picco di 113 dB nel punto di ascolto con due diffusori in funzione. Essendo una pressione di picco la somma di due contributi (diffusore destro+sinistro) bisogna considerare se questi due contributi si sommano perfettamente in fase (sono coerenti) o in potenza (sono incoerenti).
- se le emissioni sono uguali e perfettamente in fase la pressione aumenta di 6 dB
- se le emissioni sono uguali ma incoerenti la pressione aumenta di 3 dB
Non consideriamo il caso (fortuito) che i segnali siano in controfase (che farebbe diminuire la pressione anche fino a zero). In sostanza se le due emissioni sono uguali ed in fase ogni diffusore deve emettere 113-6=107 dB. Questo diventa il nostro targhet massimo.


Se li vogliamo tutti di suono diretto dobbiamo considerare solo l'attenuazione dovuta alla distanza e la potenza necessaria per ottenerli:
alla distanza di 2 metri
107 dB di picco => 104 dB SPL
Di questi 90 vengono dalla sensibilità del diffusore, 6 sono persi per la distanza di 2 metri e il resto (x) necessario per arrivare a 107dB deve essere messo dall’amplificatore
104=90-6+x => x=20 dB che comportano 100 Watt continui per canale su 8 ohm.
Se vogliamo portare il punto di ascolto più lontano o tenere un margine potremmo aumentare la potenza dell'ampli o aumenare la sensibilità dei diffusori.
Se accettiamo come limite i 105 dB di picco misurati (da velut Luna) in corrispondenza del podio del direttore di orchestra la richiesta di SPL massimo si abbassa di 8 dB. In sostanza i 113 dB fissati da Giussani forniscono anche un buon margine di sicurezza.

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27/08/2019, 15:55
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Prendiamo la cosa anche da un altro punto di vista. Un teatro ha un volume molto maggiore del soggiorno di casa. In teoria sarebbe sufficiente riprodurre nell'ambiente domestico la stessa densità di potenza (potenza per metro cubo) presente nell'ambiente originale.
Immagine
Consideriamo il teatro da 4550 mc e il solito soggiorno da 56 mc: 4550/56=81.25.
Se la sorgente originale produce 100 Watt acustici (che non sono pochi) in casa dovremmo produrre: 100/81.25=1.23 Watt acustici
Se il sistema di altoparlanti possiede un rendimento dell'1% basterebbe un integrato con 123 Watt complessivi (62.5 Watt continui per canale).
Anche per questa strada si deduce che un sistema con l'1% di rendimento e un integrato da 100 Watt per canale è sufficiente per sonorizzare il tipico soggiorno di casa (con un certo margine).
Tutto questo discorso semplicemente per dire che non si deve partire con l'idea di installare svariate centinaia o migliaia di watt. Va da sè che tutto quello che c'è in più non può che essere ben accetto.

Una considerazione sulla dinamica.
La dinamica è la differenza tra il suono più intenso ed il suono meno intenso. Tanto per fare un esempio la differenza di SPL tra un fortissimo ed un pianissimo.
In un teatro il rumore di fondo è molto basso (nell’ordine di 25 dB) quindi una sorgente che raggiunga i 105 dB ha già una dinamica prossima a 80 dB. In ambiente domestico il rumore è normalmente più alto e quindi la dinamica si riduce. È un errore pensare di recuperare dinamica aumentando il livello di ascolto per questi motivi:
- aumentare la dinamica di 3 dB significa raddoppiare la potenza dell’amplificatore
- aumentare la dinamica di 10 dB significa decuplicare la potenza dell’amplificatore
- le registrazioni, per quanto poco, sono quasi sempre un po’ compresse
- l’ascolto a livelli elevati produce fatica da ascolto
La soluzione è ridurre il rumore ambientale magari installando dei vetrocamera alle finestre (che potrebbe costare meno che cambiare l'ampli o i diffusori).

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27/08/2019, 15:56
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Una volta deciso il massimo livello SPL si passa a considerare l'elemento che presenta le maggiori limitazioni: il woofer.
Chi non ha limitazioni di spazio potrà scegliere il woofer senza badare al volume del cabinet potendo anche scegliere se utilizzare dei sub woofer.
Chi ha limitazioni di spazio deve partire dal volume che può dedicare alla cassa del woofer.
La seconda limitazione riguarda la posizione del woofer. Se può essere posto a terra, vicino la pavimento, o ad una certa altezza. Potremo realizzare una cassa a torre (eventualmente anche in angolo) ma se i diffusori dovranno stare su un mobile o in una libreria il volume sarà gioco forza limitato.
E' possibile che l'ambiente consenta di porre un sub-woofer a terra e due satelliti su un mobile o in libreria. In ogni modo la soluzione di diffusori su stand, anche se molto praticata, non è la più economica perché lo stand non suona, rende precario l'equilibrio del diffusore ed occupa, alla fine, lo stesso spazio di un mobile da pavimento. Non è necessario sottostare alle mode.

Il tipo di soluzione scelta ha un ruolo nella determinazione del numero di vie e delle frequenze di cross-over.

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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Regola della mezza lunghezza d’onda
Detta D la distanza tra i centri acustici di due altoparlanti la massima frequenza di taglio dovrebbe essere f= 172/D (172 è la metà di 344 m/s = velocità del suono). È ammessa una certa elasticità. La regola della mezza lunghezza d'onda garantisce che i due altoparlanti, alle frequenze dove le due emissioni si sovrappongono, non producano "buchi" per interferenza distruttiva. Si possono realizzare sistemi che non seguono questa regola (per esempio l'NPS di Giussani) a patto di sapere quello che si sta facendo.

Casse da libreria
il volume può essere anche di 30 litri (o più). Possono essere a 2 o 3 vie ma la caratteristica più importante è che gli altoparlanti sono molto vicini tra loro. Vale la regola della mezza lunghezza d'onda. Questo non è quasi mai un problema tra woofer e medio, lo è quasi sempre tra medio e tweeter.

Casse da pavimento con woofer e medio lontani
Vale la regola della mezza lunghezza d'onda. Se la distanza tra woofer e medio è di 70 centimetri la frequenza di taglio dovrebbe essere inferiore a 250 Hz.

Casse da pavimento con woofer e medio vicini
Vale la regola della mezza lunghezza d'onda. Se il woofer è da 8" ed il medio da 5" la distanza tra i loro centri acustici è nell’ordine di 37-38 centimetri e la frequenza di taglio potrà essere inferiore a 450 Hz circa.

1 Sub + 2 satellite
Vale la regola della mezza lunghezza d'onda. Se la distanza tra sub e un satellite vale 1.5 metri la frequenza di taglio del sub dovrà essere inferiore a 115 HZ.

Qui di seguito due ottime soluzioni per "mettere insieme" un sistema attivo con correzione ambientale Dirac Live.
Immagine
satelliti a due vie e sub-woofer amplificato (autonomo)
Immagine
Il Mini DSP DDRC 24 può essere usato come preamplificatore perchè dispone di telecomando con controllo di volume e selezione degli ingressi (da telecomando da acquistare separatamente).

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29/08/2019, 13:16
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Allineamento delle basse frequenze
Se chiediamo ad un contrabbassista o ad un violencellista di venire a suonare nel nostro soggiorno di casa, ci potremmo facilmente accorgere che il timbro dello strumento cambia a seconda che lo strumentista di sistemi al centro della sala o in prossimità di una parete o di un angolo.
Ci potremo anche accorgere che il timbro stesso dello strumento non è quello che sentiamo a teatro. Se facciamo lo stesso esperimento con un trombettista ci accorgeremmo che la posizione rispetto alle pareti (almeno finchè stiamo davanti alla bocca della tromba) è meno importante.
Questo dipende dal fatto che la tromba emette frequenze più alte ed in modo direzionale.
Sorge così la domanda:
Dobbiamo riprodurre gli strumenti come suonerebbero a casa nostra o come suonavano nel teatro dove sono stati registrati?
Se vogliamo la riproduzione ad alta fedeltà debbiamo cercare di ottenere quello che avremmo ascoltato in teatro. Teoricamente questo si ottiene
- se la risposta in frequenza del sistema di altoparlanti è piatta
- la la risposta in potenza è piatta
- se la risposta polare del sistema di altoparlanti è almeno simile a quella dello strumento riprodotto
Ottenere potenza acustica piatta significa dover attenuare le basse frequenze per tenere conto dell'incremento di radiazione dato dalla vicinanza delle pareti.
Questo però ha una controindicazione: il timbro apparirà corretto solo quando il volume della riproduzione supera un certo livello. Se non possiamo raggiungere determinati volumi dovremo prevedere un certo "effetto loudness".
L'altro problema è il pattern di radiazione degli strumenti (o risposta polare). Facciamo tre esempi estremi: il corno inglese irradia verso le spalle dell'esecutore, la tromba irradia tutto di fronte all'esecutore, Il contrabbasso irradia le frequenze più basse in tutte le direzioni.
Un sistema convenzionale di altoparlanti irradia in modo omnidirezionale alle basse frequenze e quindi diventa via via più direzionale verso le alte frequenze ma non irradia certi strumenti in avanti e certi all'indietro.
E' quindi evidente che i diversi sistemi (radiazione diretta,dipolare, omnidirezionale, ecc.) possono risolvere alcuni problemi ma non tutti e potranno essere più adatti per certi generi musicali piuttosto che per altri.
Quindi il tipo di sistema da realizzare va scelto in base alle proprie preferenze e comunque sarà in grado di riprodurre determinati generi musicali meglio di altri. Se gli "altri" sono quelli che non ascoltiamo mai il gioco è fatto.

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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Purtroppo, di un diffusore acustico, non si può scegliere volume, efficienza ed estensione verso il basso in modo arbitrario. Fissate due caratteristiche la terza è automaticamente definita. Il problema è particolarmente sentito con i diffusori "piccoli" che potranno essere efficienti ma con pochi bassi oppure avere i bassi ma essere poco efficienti. Quando non c'è spazio o si rinuncia alla efficienza o si rinuncia alla estensione verso il basso.
Considerato che lo spazio occupato da un amplificatore è abbastanza indipendente dalla potenza erogata, si possono realizzare piccoli diffusori e alimentarli con molti Watt.
Qui nasce un nuovo problema: la massima escursione e la tenuta in potenza.
La Scanspeak produce un woofer da 5 pollici con 18 mm di escursione picco-picco. Sfruttando tutta l'escursione di possono produrre 100 dB SPL a un metro su mezzo spazio ovvero più di quanto possa fare un woofer da 8" con 6 mm di escursione picco-picco (Xmax=3mm).
Da questo esempio si capisce che quello che conta, in un woofer, è lo spostamento volumetrico pari al prodotto della superficie per metà dello spostamento picco-picco.
Lo spostamento volumetrico determina il massimo SPL alla minima frequenza da riprodurre
Immagine
I dati si riferiscono a mezzo spazio. Per usare questa tabella tenere presente che:
- dimezzando la frequenza l'SPL cala di 12 dB
- raddoppiando la superficie o lo spostamento l'SPL aumenta di 6 dB
Facciamo un esempio prendiamo un medio da 5" che deve operare a 160 Hz. Se lo spostamento è di 5mm potrà produrre 93.70+12=105.70 dB
A questo punto il woofer (per raggiungere lo stesso SPL a 80Hz) dovrà avere come minimo uno spostamento volumetrico quadruplo (>1600) quindi almeno un 10" con Xmax=5 mm.
Se si intende mantenere lo spesso SPL anche a 40 Hz servirà uno spostamento volumetrico di 1600x4=6400. Lo spostamento volumetrico SV è espresso in centimetri quadri per millimetro.

Se un woofer non basta se ne possono usare di più:
- due in parallelo, SV raddoppia, SPL aumenta di 6 dB ma l’impedenza si dimezza
- due in serie, SV raddoppia, SPL resta uguale, l’impedenza raddoppia
- quattro in serie-parallelo, SV quadruplica, SPL aumenta di 6 dB, l’impedenza resta uguale.
Naturalmente sono possibili molte altre soluzioni (per esempio collegare in parallelo 3 woofer da 16 Ohm nominali 16/3=5.33 Ohm). Più woofer si usano più aumenta il volume necessario ma si possono anche realizzare delle casse a sviluppo verticale.

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29/08/2019, 17:24
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Il numero di vie
Il primo passo è il diffusore a due vie: Woofer e Tweeter. In questo caso si deve scegliere un woofer capace di riprodurre in modo decente la gamma media fino all’incrocio con il tweeter ed un tweeter che possa essere tagliato attorno a 2000 Hz. È del tutto evidente che, in questo caso, più l’incrocio è basso e meglio è.
Questo tipo di diffusore non è molto adatto ai livelli SPL più spinti che costringono il woofer ad ampie escursioni che provocano intermodulazione in gamma media. Per l’alta fedeltà domestica è raro trovare sistemi a due vie con woofer più grandi di un 8 pollici. In campo professionale, l’uso di trombe per la parte medio alta, consente di abbassare l’incrocio liberando il woofer dalla riproduzione di buona parte della gamma media e si vedono diffusori realizzati con woofer da 15” affiancati da trombe con incroci prossimi a 800 Hz.

Il secondo passo è il sistema a due vie e mezza. Questo sistema è sostanzialmente un due vie con due woofer dove il secondo “aiuta” il primo solo nella gamma bassa. In questo modo si evitano le complicazioni di cross-over tipiche dei sistemi a tre vie e si raddoppia lo spostamento volumetrico. Si tratta di una configurazione usata da quasi tutti i produttori come modello intermedio.

Il terzo passo è il sistema a tre vie con woofer, medio e tweeter. Non basta che nelle specifiche di un altoparlante ci sia scritto “midrange” perché possa essere utilizzato. Un midrange da 5 pollici (SD=80 cmq) con uno spostamento Xmax di 3 millimetri è ottimo per un taglio a 250 Hz ma insufficiente per un incrocio a 100 Hz (e diventa il collo di bottiglia del sistema). Gli stessi criteri che regolano il massimo SPL di un woofer vanno applicati anche al medio ed al tweeter. Dove un medio non basta se ne possono sempre usare due o anche più.

Un sistema con sub-woofer e satelliti a 2 vie è un particolare sistema a tre vie dove c’è un unico woofer in comune per i due canali. La regola della mezza lunghezza d’onda porta a stabilire l’incrocio tra sub e satellite nella regione tra 80 e 160 Hz (sarebbe meglio non superare 100-120 Hz). Più la frequenza di incrocio è alta tanto più pendente deve essere il filtri passa basso del sub-woofer (che altrimenti può essere identificato).
È abbastanza inutile tagliare un sub-woofer a meno di 80 Hz. Per prima cosa la minima frequenza della voce umana è 80 Hz e poi già tagliando ad 80 Hz il medio-basso deve essere un vero woofer capace di escursioni non irrilevanti.
Il medio basso deve avere uno spostamento volumetrico non inferiore ad un quarto di quello del sub-woofer o non potrà emettere le frequenze medio basse allo stesso livello di quelle basse.
Se i sub woofer sono due posti sotto ai satelliti (quindi vicini ai satelliti) la regola della mezza lunghezza d’onda consente di alzare l’incrocio (per esempio a 250 Hz) e questo cambia tutto il dimensionamento del sistema (che diventa meno critico).

Si possono realizzare sistemi con 4, 5,… n vie. Più il numero di vie è alto tanto meno risultano adatti i cross-over passivi e quindi il sistema, multiamplificato, si semplifica da un punto di vista ma si complica da un altro. Per cominciare è meglio contenere il numero delle vie.
Il MiniDSP DDRC-24 consente di gestire due satelliti a due vie ai quali si possono affiancare uno o due sub-woofer attivi.

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29/08/2019, 17:25
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Ambiente ebassefrequenze
I diffusori autocostruitihanno, rispetto all'ambiente, gli stessi problemi.
La risposta alle frequenze basse è fortemente influenzata dalla posizione degli altoparlanti rispetto alle pareti e dalla posizione dell'ascoltatore. Sappiamo che, fissato il punto di ascolto e spostando i diffusori, si può trovare una soluzione favorevole (in letteratura vengono suggeriti diversi metodi più omeno efficaci). Sappiamo anche che in molte situazioni non è possibile scegliere arbitrariamente la posizione dei diffusori (a causa dei vincoli posti dai mobili) e, in quel caso, o si è fortunati o si può utilizzare un correttore ambientale digitale.

La banda di frequnze interessata dai modi normali dell'ambiente passa per la frequenza di Schroeder http://www.mariobon.com/Glossario/___Ambiente_Attributi/Riverberazione_Frequenza_di_Schroeder.htm ma si estende anche fino a 600-800 Hz. Supponiamo che la frequenza di Schroeder sia a 200 Hz. Se abbiamo realizzato un sistema con sub-woofer con taglio a 100 Hz possiamo anche ottimizzare la sua risposta ponendolo dove meglio conviene ma resteranno comunque dei problemi per il medio-basso (e anche oltre i 200Hz). Se non si vuole ricorrere alla correzione ambientale digitale è necessario trattare l'ambiente per portare il fattore di merito dei modi ambientali a valori inferiori a 16 (Q<16).
http://www.mariobon.com/Glossario/___Udibilita/Udibilita_modi_ambiente_2.htm
Immagine
In figura: i modi mormali presentano dei picchi tanto più accentuati quanto più è alto il fattore di merito.
È praticamente impossibile, in ambiente domestico, abbattere completamente i modi normali ma si può migliorare molto inserendo dei materiali fonoassorbenti: tende pesanti, poltro e divani imbottiti, tapperi (con sottotappeto). I più fortunati potranno usare dei pannelli fonoassorbenti o delle trappole acustiche

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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
Per dare almeno una coclusione parzialefino a questo punto (perchè ci sarebbe ancora molto altroda dire) il progetto di un sistema di altoparlanti deve cominciare con una lista per quanto possibile precisa delle caratteristiche che si intendono ottenere a cominciare dal tipo di radiazione (diretta, dipolare, ominidirezionale) che danno risultati più adatti a certi generi musicali piuttosto che ad altri. Quindi si passa al dimensionamento a cominciare dallo spazio disponibile per i diffusori (se il volume disponibileè di 30 litri è inutile pensare di usare woofer da 15 pollici). A questo punto si deve scegliere se dare la prevalenza all'efficienza o alla estensione verso il basso e stabilire la frequenza più bassa da riprodurre e quale sarà il massimo SPL a quella frequenza. Questo, con laposizione scelta perilwoofer, determina lo spostamento volumetrico richiesto per il woofer stesso. Solo a questo punto si comincia a cercare, sul mercato, il woofer adatto. Il budget disponibile poi fa il resto ponendo un limite, per esempio, al numero di vie.
La fortuna di un autocostruttore è che può pianificare un sistema che cresce nel tempo.

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30/08/2019, 15:12
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Messaggio Re: Progettare un diffusore acustico: da dove si comincia.
continua.... ma chi vuole può intervenire.

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