Break-up delle membrane (degli altoparlanti) (*)

[MarioBon]

La forza che muove il cono di un altoparlante è concentrata in una ristretta regione attorno all'apice. Se il diaframma fosse perfettamente rigido la forza si trasmetterebbe immediatamente dalla bobina mobile al bordo del diaframma e questo si muoverebbe come un pistone rigido a tutte le frequenze.
La velocità di propagazione lungo Il diaframma, purtroppo, è finita e questo fa si che la perturbazione arrivi al bordo del diaframma con un certo ritardo. In sostanza il diaframma si comporta come una linea di trasmissione e, ad una certa frequenza, si "piega": mentre una parte va verso l'esterno, l'altra va verso l'interno. Qui avviene il primo break-up (rottura). Questo è schematizzato nella figura che segue:

http://www.mariobon.com/Glossario/___Al ... age004.jpg
La prossima figura mostra il circuito equivalente di un diaframma soggetto a rotture. Il circuito è del tutto simile a quello di una linea di trasmissione.

http://www.mariobon.com/Glossario/___Al ... age002.gif
In corrispondenza di una rottura la massa efficace del diaframma diminuisce e quindi la sua velocità aumente. Dato che la curva di impedenza contiene una parte proporzionale alla velocità della bobina mobile, i break-up risultano visibili come picchi (spesso mascherati dalla componente induttiva della impedenza della bobina mobile).

Questo qui sopra è un woofer da 8" (20 contimetri) caratterizzato da un notevole break-up tra 700 e 800 Hz. Si vede un bel buco nella risposta (dovuto a interferenza) e un marcato picco nella impedenza.
Per limitare l'effetto dei break-up sono state seguite tre strade:
- cercare di limitarlii aumentando lo smorzamento interno dei materiale (polipropilene, bextrene, ecc.)
- cercare di eliminarli aumentando la velocità di propagazione lungo il diaframma (alluminio)
- fare l'uno e l'altro impiegando dei sandwith di materiale rigido (per esempio roacel, carbonio, ecc.) con una intercapedine di materiale smorzante .

[MarioBon]

Il problema non è ottenere un diaframma rigido, il problema è ottenere un diaframma rigido e leggero.

nella figura qui sopra si vede un altoparlante con il diaframma in alluminio. I break-up ci sono ancora (e molto forti) ma spostati a frequenza più alta (dove dovrebbe essere possibile abbatterli).
Si noti la discontinuità sulla curva di impedenza in corrispondenza della rottura.

Possiamo limitare l'effetto dei break-up? Certamene si: basta non utilizzare l'altoparlante in quella zona di frequenze (fermarsi prima).

Consideriamo una campana. Quando il martello colpisce la campana le trasmette una forza che, nel tempo, corrisponde ad un segnale impulsivo molto stretto (di brevissima durata). In pratica la forza è applicata alla campana per il tempo che il martello resta a contatto con la sua superficie.
Tale impuso possiede uno spettro molto ampio: (in teoria) contiene tutte le frequenze e quindi eccita tutti i possibili modi della campana la quale produrrà il suo caratteristico suono.
L'altoparlante non viene eccitato con una martellata sul diaframma ma applicando un segnale alla bobina mobile che è cosa ben diversa.
Se l'altoparlante è preceduto da un filtro passa basso possiamo fare in modo che gli arrivino certe frequenze (quelle che riproduce bene) e non certe altre (quelle che riproduce male). Se ci sono dei break-up, possiamo fare in modo di non eccitarli.
Se invece eccitiamo l'altoparlante con un segnale impulsivo molto stretto (e quindi banda passante molto larga) ecciteremo anche i break-up.
L'altoparlante visto nel post precedente potrà essere utilizzato fino a 350 Hz (meglio se meno).

Gli altoparlanti elettrostatici hanno dei diaframmi sottilissimi e molto flessibili che dovrebbero presentare dei break-up formidabili. A differenza dell'altoparlante dinamico (che è pilotato solo in prossimità della bobina mobile) gli elettrostatici ed isodinamici sono pilotati in modo uniforme su tutta la superficie la quale si sposta tutta contemporaneamente della stessa quantità e nella stessa direzione. In sostanza non ha bisogno di essere rigida.

[MarioBon]

L'altoparlante non soffre solo delle rotture concentriche rispetto al suo asse di simmetria ma anche dei così detti "modi a campana"

http://www.mariobon.com/Glossario/___Al ... age008.jpg
Fortunatamente questi modi possono essere smorzati utilizzando delle sospensioni esterne (rim) in gomma.

Gli altoparlanti a modi distribuiti (DML) sono realizzati in modo da presentare un numero molto alto di rotture che si compensano un po' a vicenda. La risposta in frequenza appare anche ragionevolmente regolare ma la risposta nel tempo ha poche probabilità di essere decente. Tali altoparlanti, per loro natura, vanno impiegati per la diffusone di musica di sottofondo a bassa dinamica. Se l'ambiente è un po' riverberante vanno anche meglio.

[MarioBon]

[fab0]

Molto interessante.
L'argomento è molto vasto ed ha molte ripercussioni

Essendoci vari ventri che si comportano da sorgenti multiple, mobili e variabili in funzione della frequenza, probabilmente anche la fase acustica ne risente, così come l'emissione polare.

Inoltre mi sembra di aver visto che in zona di breakup ogni singolo esemplare si comporta in modo proprio. Quindi anche solo tentare di compensare in qualche modo la timbrica in asse (o quella dell'emissione energetica) potrebbe essere una cosa non molto ripetibile tra vari esemplari di trasduttore.

Ancora, le risonanze sono per loro natura oggetti che "manipolano" l'energia data loro in modo molto poco lineare nello spazio e nel tempo. Ne assorbono, ne dissipano, ne rilasciano (con le conseguenti ripercussioni meccaniche), facendolo in tempi diversi da quelli in cui viene fornita loro.
In quest'ottica è poco significativo guardare il fenomeno in steady state, come un fenomeno stazionario.

[MarioBon]

Invece di pensare di correggere un berak-up (cosa difficile e che comunque non deve essere fatta perché generano interferenze non equalizzabili) è meglio scegliere altoparlanti che funzionano come pistoni o utilizzarli fin dove si comportano come pistoni.

[fab0]

Sono assolutamente d'accordo. Era una osservazione rivolta a chi cerca di compensare in qualche modo la timbrica

[TomCapraro]

Sono assolutamente d'accordo. Era una osservazione rivolta a chi cerca di compensare in qualche modo la timbrica

Tutte le alterazioni di origine non lineare sono di fatto "incompensabili".
Il Break-Up è un alterazione non lineare.

[Interference]

Recupero questo prezioso thread, ringraziando già Mario per le ottime spiegazioni.

Mi chiedevo: esiste una formula o un criterio empirico per stabilire a partire dai parametri di un altoparlante fino a dove può estendersi il suo funzionamento a pistone rigido?

[MarioBon]

la regione di funzionamento a pistone rigido è ka<=1 dove k è il numero d'onda pari a w/c = 6.28 f/c con f=frequenza e C=344 m/s.

Per i diaframmi in carta un limite è costituito dall'effetto coincidenza che avviene attorno a 700 Hz (la velocità di propagazione nella carta diventa uguale alla velocità del suono nell'aria)
un altro limite è determinato dalla profondità del cono: deve essere lamba < p/8 (lambda=lunghezza d'onda e p=profondità del cono)

Uno di questo limiti potrebbe essere inferiore a ka<=1.

Per i coni in alluminio i break up cadono a frequenza alta (oltre 3000 Hz) ma sono piuttosto bruschi. Sapendoli adoperare per me restano i migliori.
I coni in polipropilene presentano break up molto smorzati e c'è chi li preferisce anche se non sempre sono adatti a SPL molto elevati. L'ultima moda sono i coni in polipropilene ricotto (CURV) che sono più rigidi del polipropilene ma ugualmente smorzati.

Il trattamento dei cono in carta porta evidenti vantaggi che la avvicinano alle prestazioni del polipropilene.
Un altro fattore importante è il bordo esterno (rim) al quale tocca smorzare i "modi a campana" ed assorbine l'energia dei break up. I migliori sono in gomma butilica o gomma naturale (pesanti). I migliori dal punto di vista dell'efficienza sono quelli in foam (che non durano).

Tutto quello che fa suonare meglio un altoparlante montato a radiazione diretta ne riduce il rendimento.