La Potenza AES (e i woofer PRO e compressione)

[MarioBon]

e infatti se andiamo a vedere un woofer di qualità superiore:

vediamo che le rotture non lasciano segni, la compressione è inferiore ed è abbastanza omogenea su tutta la banda passante. Le condizioni di misura sono le stesse di prima (1 e 100 Watt). Anche in questo caso la compressione a bassa frequenza è inferiore alla compressione in centro della banda passante. La compressione con 1 e 100 Watt si stima tra un dB e un dB e mezzo.

Da questi due esempi impariamo che esprimere la compressione con un unico dato non è molto significativo (tranne che con altoparlanti molto buoni) e che gli altoparlanti con coni leggeri e bobine di diametro ridotto (quindi più efficienti) sono anche quelli che si comportano peggio.
Figuriamoci come può comportarsi, termicamente, un larga banda con cono leggero e bobina da 38 mm. su supporto di fiberglass.

[MarioBon]

Torniamo a questo grafico:

qui vediamo l'andamento della temperatura nell'arco di una ora (3600 secondi) e notiamo che l'incremento della temperatura diminuisce al crescere della temperatura stessa.
Questo è dovuto a due fenomeni:
La quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un solido aumenta con la temperatura (questo significa che per passare da 200° a 201° serve più calore che per passare da 10° a 11°)
e
Man mano che cresce la temperatura di RE (resistenza della bobina) RE aumenta in valore e quindi (a parità di tensione applicata) la potenza assorbita diminuisce.
Quando la compressione ha raggiunto 3 dB significa che RE è aumentata del 40%
Quando la compressione ha raggiunto 6 dB significa che RE è raddoppiata
Se RE raddoppia significa che la potenza (a parità di tensione applicata) si è dimezzata.
Mantenendo costante la tensione di pilotaggio più la bobina si scalda e meno potenza entra, ad un certo punto si raggiunge l'equilibrio (e infatti le curve si appiattiscono verso 270° e 250°).

[MarioBon]

In ambiente domestico sono sufficienti 100 Watt. Per sonorizzare un concerto all'aperto vengono impiegati centinaia di migliaia di Watt (se non milioni). I woofer professionali sono quindi sottoposti a potenze che li portano a temperatura alte e, causa la compressione, l'SPL prodotto di riduce. Per evitare questo fenomeno c'è solo un rimedio: aumentare il numero di altoparlanti in modo da dividere la potenza su più dispositivi e mantenere la temperatura (e quindi la compressione) su valori tollerabili.
Per suonare ad alto volume per 5 minuti basta un altoparlante, per continaure a suonare per 2 ore ne servono quattro (tanto per rendere l'idea).

L'ultima cosa è questa:
- 100 watt continui di una sinusoide
- 100 watt continui di onda quadra
- 100 Watt continui di rumore rosa da 50 a 500 Hz
- 100 Watt continui di rumore rosa da 254 a 2540 Hz
- 100 watt continui di musica
producono esattamente lo stesso riscaldamento della bobina mobile (cambia la potenza di picco perchè ciascuno di questi segnali ha un fattore di cresta diverso).

[carlochiarelli]

Visto che c'è qualcuno che vuole pilotare gli altoparlanti a corrente impressa anziché a tensione impressa, glielo spieghi tu a che temperatura la bobina va in equilibrio termico? Ok che magari è più lineare ma dura poco....

[MarioBon]

La compessione termica è la riduzione di SPL prodotto dall'altoparlante a causa del riscaldamento della bobina mobile che aumenta RE. Il coefficiente termico vale circa 0.4% per grado di temperatura il che significa che quando la bobina mobile raggiunge i 100° (circa) la sua resistenza è aumentata del 40% (circa) e l'SPL è diminuito di 3 dB (circa).

La potenza entrante nella bobina mobile vale:

Wimmessa= VI = V^2/RE = I^2 x RE (I=corrente e V=tensione)

A questa potenza va tolta la quota di potenza acustica prodotta:

Wimmessa = Wtrasformata_in_calore + Wacustica
Wtrasformata_in_calore = Wimmessa - Wacustica = Wimmessa - rendimeno X Wimmessa = Wimmessa x (1 - rendimeno)

quindi si dovrebbe moltiplicare Wimmessa per (1-rendimento). Il rendimento, per un woofer, è basso e lo trascuriamo per non complicare l'esempio. Tutte le quantità nella relazione dipendono dalla temperatura. A questo si aggiunge il fatto che la compressione termica dipende dalla frequenza mentre i costruttoti forniscono un unico dato. Come se non bastasse anche il movimento del cono può ridurre la temperatura favorendo il ricambio d'aria della bobina mobile quindi alimentare un woofer da 30 a 300 Hz non è la stessa cosa che alimentarlo da 120 a 1200 Hz. In sostanza un medio tende a scalsarsi più di un woofer. In generale meno si muove la bobina mobile e più si scalda.

Quando il woofer è pilotato in tensione il riscaldamento della bobina mobile provoca l'aumento di R e la potenza assorbita diminuisce al crescere della temperatura. La temperatura tende a crescere meno, la comprssione cresce meno.
Questo si vede in questo grafico (Eightsound)

dove, dopo una ora (pilotaggio in tensione costante) i fenomeni detti portano la temperatura a stabilizzarsi a 270° e a 250°. I due woofer del grafco differiscono per la capacità di smaltire calore.
Quando il woofer è pilotato in corrente la bobina si riscalda comunque: R aumenta e compare la compressione. Ma visto che R aumenta, mentre la corrente rimane quella che è, ne segue che la potenza di pilotaggio aumenta e la temperatura cresce e continua a crescere e con essa anche la compressione.
La compressione termica di 3 dB corrisponde ad un aumento di R del 40% circa e questo aumenta del 40% anche la potenza erogata dall'ampli sul woofer pilotato in corrente.

da W = V^2/R se R aumenta del 40% => W diminuisce del 40% (pilotaggio i tensione)
da W = I^2 x R se R aumenta del 40% => W aumenta del del 40% (pilotaggio in corrente)

Dal punto di vista termico il pilotaggio in corrente impone una maggiore capacità da parte dell'altoparlante di smaltire il calore e questo è un problema serio specie con i woofer professionali che hanno l'avvolgimento in alluminio e il supporto bobina in fiberglass. Il pilotaggio in corrente richiede anche altoparlanti con impedenza estremamente regolare pena un sensibile aumento della risposta alle alte frequenze (che per un medio sarebbe un problema). Si avrebbe cioè una diminuizione importante di SPL alle frequenze medio-basse e una piccola riduzione alle frequenze alte.

Nel caso delle applicazioni professionai il pilotaggio in corrente non sembra una buona idea. Se lo fosse probabilmente la Electro Voice lo avrebbe adottato (visto che ha investito su un sistema attivo di controllo della temperatura dei woofer per evitarne i guasti).

[MarioBon]

Consideriamo questo altoparlante largabanda (fuori produzione) da 7" (che qualcuno si ostina a proporre):

la potenza IEC vale 120 Watt e, da normativa AES, dovrebbe essere stata misurata sulla decade tra 98 e 980 Hz.
Se vogliamo utilizzarlo su due decadi la potenza AES soppurtata deve essere dimezzata. Quindi siamo a 60 Watt che porterebbero circa 18 dB in più. Il rendimento dichiarato su spazio intero vale 0.9% che corrisponde (in assenza di compressione) a circa 96 dB su mezzo spazio tenendo conto che il minimo di impedenza sta a 5.7 Ohm. Tra rendimento e potenza applicabile si arriverebbe a 114 dB (teorici se non ci fosse compressione). Ma la limitazione maggiore è lo spostamento Xmax (limitato a 1 mm).
Dato che SD = 132 cmq e che lo spostamento lineare Xmax vale 1 millimetro si ottiene che:
a 200 Hz può produrre 110 dB a un metro (con una sinusoide)
a 400 Hz può produrre 112 dB a un metro
a 650 Hz può produrre 120.4dB a un metro
Tutto questo senza considerare la compressione termica che con una bobina da 38 mm e supporto in fiberglass non è trascurabile se non fosse per il fatto che sono una frazione della bobina sporge dal traferro. La compressione dovrebbe essere nell'ordine di 2-2.2 dB.
Come fa questo altoparlante a raggiungere 120 dB a 4 metri (in 250 metri cubi) con passa alto da 150 Hz? Può farlo ma lo si deve tagliare almeno a 650 Hz (2 ottave oltre 150 Hz) e si deve anche trascurare la compressione termica.
Tra l'altro la risposta in frequenza è caratterizzata da numerosi break up quindi c'è da aspettarsi un comportamento non proprio "regolare" all'aumentare della temperatura.
Anche equalizzando la risposta i break-up della membrana restano.
Questo altoparlante è indicato per la riproduzione della voce in ambienti pubblici (cosa che probabilmente fa egregiamente) non sembra però indicato per un uso HiFi specie ad elevati livelli SPL.

[MarioBon]

Si può collegare un cono di carta ad una bobina con supporto in alluminio che arriva a 300° di temperatura?
No la carta potrebbe incresparsi.
Si può utilizzare un supporto in alluminio e un cono in alluminio? no, è troppo pesante e il rendimento scenderebbe troppo.

L'unica alternativa è utilizzare un supporto della bobina che sia un pessimo conduttore del calore in modo da preservare il leggero cono di carta. La scelta cade sul fiberglass anche se per utilizzarlo sono necessarie delle colle epossidiche che resistano almeno a 300°.
Alla fine la bobina mobile può raggiungere temperature molto elevate a prezzo di una certa compressione. Un problema del fiberglass, come già detto, è che impedisce alla bobina di irradiare calore verso il polo centrale (come fa il supporto in alluminio). A questo si pone rimedio avvolgendo metà degli strati all'esterno e l'altra metà all'interno del supporto. Per aumentare ancora la dissipzione del calore sono stati progettati sistemi che forzano l'aria ad attraversare il traferro (ma questo funziona solo con i woofer).

In HiFi le potenze in gioco sono molto inferiori e si possono utilizzare supporti della bobina in alluminio e anche coni in alluminio. Questo consente di trasferire direttamente il calore prodotto della bobina al cono che funziona da dissipatore di calore a contatto con l'aria. Le temperature raggiunte in HiFi sono nell'orine della metà rispetto al professionale.

[carlochiarelli]

C.V.D.

grande Mario!

[mario061]

Chiaro e comprensibile anche per i non laureati, come sempre.

P.S.
Mario è rimasto impressionato dalla "bontà" del bicono b&c...

[MarioBon]

Per ultimo vediamo cosa succede ad un woofer pro caricato in reflex.
Il grafico mostra la curva nera (riferimento a 25°) e la curva rossa ad una compressione di 3.5 dB (oltre 100°). RE e QES sono aumentati tanto quanto la compressione.

Si devono notare tre cose:
- il livello tra 50 e 100 Hz non è cambiato
- il livello oltre 100 Hz si è abbassato causa la compressione
- la risposta da sovrasmorzata è diventata quasi piatta.
Questo è consolante per chi progetta subwoofer perchè, nelle effettive condizioni d'uso e dopo un periodo di riscaldamento, il livello SPL si è mantenuto e la risposta è addirittura migliorata. Naturalmente è stato necessario progettare un reflex che, a 25°, non ha certo una bella risposta.
Se invece che un subwoofer questo dovesse essere un medio-basso che funziona da 100 Hz in su si sarebbe dovuto tenere conto che il livello, con il riscaldamento, diminuisce.
La potenza AES dichiarata dal costruttore si riferisce alla decade che parte dalla frequenza di risonanza in aria. In questo caso da 40 a 400 Hz

dato che il nostro sub woofer funziona solo fino a 100 Hz potremo inviargli una quantità maggiore di potenza (poco più di 6.5 dB in più se lo spettro del nostro segnale fosse conforme al segnale di prova IEC). Per sicurezza è meglio limitarsi a 3 dB.
In sostanza se il woofer è specificato per 500 Watt AES potremo impiegare 1000 Watt AES senza superare limiti termici. Ricordiamoci che i Watt AES sono definiti rispetto alla impedenza minimma dichiarata che in genere è minore di 8 (o 4) Ohm.
I limiti legati alla massima escursione sono un altro discorso (e in questo caso il reflex aiuta).