Criteri di progetto di un sistema di altoparlanti

[MarioBon]

Quando si decide di intraprendere la realizzazione di un sistema di altoparlanti è essenziale fissare gli obbiettivi.
La prima cosa il budget ovvero quanti soldi si desidera spendere.
la seconda cosa è la suddivisione del budget: si può dare la precedenza alla qualità degli altoparlanti o all'estetica.
Se c'è da risparmiare qualche cosa è meglio risparmiare su un eventuale cross-over (passivo o attivo) che potrà essere cambiato in un secondo tempo. Il discorso vale anche per gli amplificatori di un sistema attivo.

La terza cosa è l'ambiente e la distanza del punto di ascolto e il livello SPL che si vuole ottenere e l'estensione della risposta verso il basso.
Una delle caratteristiche fondamentale dell'ambiente è la silenziosità che consete di ridurre la potenza installata.

Per quanto riguarda l'estensione verso il basso:
- la musica d'organo si estende a partire da 16 Hz
- la prima nota del pianoforte è il LA a 27.5 Hz
- La prima nota del contrabbasso è il MI a 40 Hz
- la prima nota della voce di basso è il Mi a 80 Hz.
In generale si dovrebbero riprodurre almeno i 40 Hz a livello della gamma media.

Per quanto riguarda il livello l'ing. Renato Giussani consigliava di arrivare a 113 dB di picco nel punto di ascolto. Secondo altri ci si può accontentare di 105 dB. Si tratta di pressioni di tutto rispetto.

L'analisi dell'ambiente deve anche indicare se potremo posizionare le casse liberamente o se ci sono dei vincoli.
Banalmente, se c'è un televisore, i due canali andranno posizionati ai lati (e non è detto che questa sia la posizione migliore).
Ci sono software gratuiti che consentono di calcolare i modi normali di un ambiente parallelepipedo.
Se l'ambiente è problematico bisognerà pensare ad un correttore ambientale digitale (come Direc Live o il DRC di Sbraggion o altri).
In questo caso il budget va rivisto.

A questo punto dobbiamo decidere se realizzare un sistema
- attivo: ogni via ha il proprio amplificatore e crossover elettronico (tanti dispositivi e cavi)
- misto per esempio sub amplificato e satelliti passivi
- tutto passivo (il più difficie da realizzare ma quello con il minor numero di dispositivi e cavi).

Per fare questa scelta con un minimo di raziocinio si deveno valutare gli strumenti a disposizione.
Il sistema completamente passivo è decisamente il più difficile. Per realizzarlo si devono poter fare misure di risposta in frequenza e impedenza.
Il sistema misto è più semplice perchè il satellite potrebbe essere un due vie o anche un largabanda. Le misure servono comunque.
Il sistema attivo richiede la disponibilitàdi un microfono e di un software come REW. Questo è il sistema più flessibile con le migliori possibilità di una buona riuscita. Non è detto che sia il più costoso.

Senza strumenti di misura è possibile ottenere un buon risultato "a orecchio" ma dipende dall'orecchio e dal tempo a disposizione.

[MarioBon]

cominciamo a fissare dei numeri...

- superficie e volume dell'ambiente (20 metri quadri e 56 metri cubi)
- distanza del punto di ascolto (tra 2 e 2.5 metri).
- SPL massimo (113 dB di picco con 2 canali in funzione)
- frequenza minima (40 Hz)

Prima di parlare di sensibilità o rendimento dobbiamo aggiungere un altro dato: l'ingobro delle casse.
Quanto grandi possono essere le casse? se possiamo permetterci due casse con volume compreso tra 100 e 200 litri possiamo prendere in considerazione un sistema ad alto rendimento (che è sempre limitato dal woofer). Ma se non possiamo andare oltre i venti litri o scegliamo l'estensione o sceglialo il rendimento.
Per uso domestico "normale", fino a 40 metri quadri, un sistema con sensibilità attorno a 90 dB (a un metro con 2.83Vrms) è ritenuto adegauto nella maggioranza dei casi.

[MarioBon]

Consideriamo di realizzare un tre vie e, per semplicità, consideriano i tagli a 200 e 2000 Hz. Questo divide la banda audio in tre parti uguali. Con il rumre rosa ogni banda riceve circa un terzo della potenza elettrica.Il sistema deve riprodure 113 dB di picco a due metri con due canali in funzione. 113 dB di Picco diventano 110 dB SPL e ciascun canale produce da 3 a 6 dB in meno (sempre a 2 metri). siamo arrivati a 104-107 dB a due metri. Non dimentichiamo che siamo in un ambiente chiuso e che che questo SPL di 104-107 è la somma del campo diretto + il campo riflesso. La simulazione indica che in un ambiente da 20 metri quadri con T60 di mezzo secondo a due metri il campo riflesso produce un aumento di 8 dB. Per sicurezza consideriamo che siano 6.
& dB li mette il campo riflesso, 6 dB vanno tolti per riferire l'SPL a 1 metro e alla fine restiamo con 104-107 dB.
A questo punto andiamoa vedere quanto vale lo spostamento volumetrico necessario per ottenere l'SPL voluto a 80 Hz.
Perchè a 80 e non a 40? perchè l'ambiente ci mette del suo e l'esperienza mostra che si può dimensionare il woofer una ottava sopra.

Un woofer da 8 pollici (SD=220) con 7 mm di Xmax (14 mm picco-picco) produce 105 dB a 80 Hz
Un woofer da 10 pollici (SD=330) con 7 mm di Xmax (14 mm picco-picco) produce quasi 109 dB a 80 Hz

Il woofer da 10" offre un margine di sicurezza ma potremmo essere forzati ad usare l'8" per esempio se ci sono problemi di spazio. A questo punto bisogna cercare nei cataloghi un woofer da 8 o da 10" con 7 mm di spostamento che possa soddisfare le specifiche nel volume a disposizione.

Dovendo scegliere anche il carico (reflex, TEB, ecc.) si tenga presente che la cassa chiusa produce meno distorsione di intermodulazione e si interfaccia meglio con l'ambiente del reflex e non soffre dei problemi dovuti al condotto di accordo.

[MarioBon]

Visto che stiamo realizzando un tre vie dobbiamo scegliere il medio ed il tweeter.

Fissata la frequenza di taglio in Ft se il woofer produce un certo spostamento volumetrico in Ft il medio deve poter fare lo stesso.
Va tenuto conto che per ogni raddoppio della frequenza lo spostamento volumetrico si riduce ad un quarto.
Noto lo spostamento volumetrico a 80 Hz a 160 sara pari a 1/4 e a 200 sara (80/200) al quadrato ovvero 0.16
Quindi calcoliamo 330x0.7x0.16 = 37 circa (SD woofer= 330 cm2, Xmax woofer = 7 mm). Il medio riproduce la voce e deve avere distorsione bassa quindi conviene scegliere un altoparlante con spostamento volumetrico almeno doppio di quello teoricamente ottenuto.
Personalmente ho sempre usato medi ampiamente sovradimensionati su questo aspetto (tipo da 5 pollici con 7 mm di spostamento).
Lo stesso criterio usato per il medio si utilizza per il tweeter.
Nel caso dei tweeter lo spostamento Xmax è abbastanza limitato e non sempre è dichiarato nel data sheet.

- tweeter con Xmax=0 vanno evitati
- tweeter con Xmax=0.1 mm vanno tagliati oltre 3000 Hz
- tweeter con Xmax=0.25 sono lo standard e vanno tagliati oltre i 2000 Hz
- tweeter con Xmax=0.4 o superiore, che esistono, possono tranquillamente essere tagliati a 2000 Hz e anche meno.

[MarioBon]

Questo grazioso oggettino potrebbe essere una alternativa ai MiniDSP:

https://www.thomann.de/it/the_t.racks_d ... ni_amp.htm
costa 198 Euro (meno del MinoDSP) e in più ha gli amplificatori integrati.
Dispone di due ingressi e quattro uscite con 4 amplificatori da 50 Watt su 8 Ohm e 60 su 4 Ohm.
le caratteristiche sono decenti tranne il cross-talck tra i canali di 74 dB (ma c'era da aspettarselo).
L'altro difetto è la sensibilità degli ingressi pari a 12 dBu che corrispondono a 3 Volt RMS (4.2 Volt di Picco) che non torna con la sensibilità dichiarata di 28 dB.
Serve un preamplificatore per regolare il volume e selezionare gli ingressi.

Comunque con questo oggetto di possono realizzare due casse a due vie abbinabili ad un subwoofer amplificato.
Gli amplifcatori hanno l'inversione di polarità e dovrebbero essere utilizzabili a ponte ottenebdo 120 Watt su 8 Ohm. Se si usano gli ampli a ponte si deve acquistare un t.rack in più.
Con il secondo t.rack si possono fare due subwoofer. Personalmente mi verrebbe voglia di copiare il B4-200 della Audio Pro con 4 woofer da 8 pollici (ciascuno pilotato da 50 Watt che diventano così 200 Watt).

Nota il DCX2496 Behringer ha una sensibilità di ingresso di 22 dBu pari a 10Vrms (lo stesso sulle uscite). L'altra cosa da tenere presente sul DCX2496 è che non sempre funzionano e che le riparazioni sono lunghe.

Il miniDSP DDRC 24 ha la sensibilità di ingresso selezionabile a 2 o 4 Vrms mentre l'uscita massina è di 2 Vrms. Dispone di controll di volume su telecomando.

[MarioBon]

A questo punto sarà interessante leggere qui:
viewtopic.php?p=52468#p52468

dove sono illustrate due soluzioni di filtro crossover per gli stessi altoparlanti.

[MarioBon]

Tanto per fare un esempio di come si possa affrontare un eventuale problema di spazio (nel senso del volume del cabinet) osserviamo che:

woofer da 10 pollici SD=330 e Xmax=6 => 1980 cm2xmm
woofer da 8 pollici SD=220 e Xmax=9 => 1980 cm2xmm

un woofer da 8 pollici con 9 mm di spostamento muove la stessa quantità d'aria di uno da 10 pollici con 6 mm di spostamento ma richiede una cassa di volume inferiore.
I woofer con 9 mm di spostamento si trovano nel catalogo Scanspeak (e sono costosi). Probabilmente ci sono anche altri produttori.

[MarioBon]

Facciamo un esempio di dimensionamento per un sistema a tre vie. Partiamo con un woofer da 18 pollici, medi da 5 pollici e tweeter da a cupola un pollice.
Si tratta di un sistema quanto meno "strano" ma è un esempio.
Il sistema sarà amplificato.



Come si vede dalla tabella il woofer ammette uno spostamento di 9 mm. e a 30 Hz può produrre 105 dB SPL. Il limite per radiazione omnidirezionale sta a 285 Hz quindi fissiamo la frequenza di taglio con il medio a 200 Hz.
Se utilizzaziomo dei medi da 5 poliici (SD=80 cm2 x2) per ottenere lo stesso spostamento volumetrico a 200 Hz basta un Xmax di 1.47 mm. Di norma un mid-woofer da 5 pollici ammette uno Xmax da 3 fino a 7 (Seas) o 9 (Scanspeak) mm. quindi non ci sono problemi anzi potranno produrre un SPL ancora superiore.
Il tweeter da un pollice tagliato a 2000 Hz dovrà avere un Xmax di circa 0.4 mm. Non ce ne sono molti ma ce ne sono (si arriva a 0.6 mm).
Ova vediamo la sensibilità degli latoparlanti:
- woofer 94 dB
- medio 86 dB => due in parallelo 91 dB
- tweeter 90 dB (scanspek 9700).
Non avviene spesso ma in questo caso l'amplificatore più potente va messo al tweeter.
E' del tutto evidente che sarebbe meglio usare un driver a compressione al posto del tweeter a cupola ma questo è un esercizio.
La massima pressione del sistema, convenientemente allineato, sarà di circa 110 dB (113 di picco con un diffusoire a un metro).
Il punto debole è il tweeter. Tuttavia con la musica classica che ha un contenuto di alte frequenza basso funzionerà bene.

Cosa possiamo dire del suono: la frequenza di taglio woofer/medio è abbastanza bassa da far apparire woofer e medi come una unica sorgente. Dato che il limite ka=1 del medio sta a circa 1000 Hz mentre il taglio con il tweeter sta a 2000 Hz dobbiamo aspettarci un calo della potenza acustica tra 1000 e 2000 Hz. Il tweeter da un pollice ha il limite ka=1 a 3600 Hz circa e oltre tale frequenza ci sarà un calo della potenza. Un calo tra 1000 e 2000 e un calo dopo 3600 produce un boost tra 2000 e 3600 Hz.
Se questo andamento della potenza acustica incontra un ambiente con un tempo di riverbero che compensa questa situazione il sistema suonerà bilanciato. Se il tempo di riverberazione sarà minore in corrispondenza dei "buchi" della risposta in potenza ci saranno dei problemi (tipo le voci un po' avanzate).

[MarioBon]

Tentiamo di chiudere il buco nella risposta in potenza.
Per farlo dobbiamo abbassare il taglio del tweeter. In questo caso usiamo un medio da 4 pollici con flangia da 130 mm. I tweeter saranno due connessi in serie (altrimenti lo spostamento Xmax non è sufficiente). Dato che, in questo caso, si possono reperire componenti con una sensibilità di 90-91 dB, il diffusre può essere realizzata anche in forma passiva. Ritengo comunque più utile che un autocostruttore si orienti verso i sistemi attivi.



La flangia del medio è tipicamente di 130 mm, quella del tweeter potrebbe essere 63 mm. La distanza tra i centri acustici di medio e tweeter risulta di circa 100 mm che corrisponde a metà della lunghezza d'onda a 3440 Hz. Il buco nella risposta in potenza non è completamente chiuso ma è ridotto alla banda compresa tra 1370 e 1700 Hz (circa un terzo di ottava). Per chiuderlo del tutto si deve abbassare il taglio del tweeter a 1400 Hz. Questo è possibile ma Xmax del tweeter deve valere al minimo 0.42 mm Come detto ci sono tweeter che arrivano a 0.6).
Con il taglio a 1400 Hz la distanza tra gli altoparlanti è minore di mezza lunghezza d'onda al taglio.
Lascio a voi immaginare come disporre gli altoparlanti sul pannello frontale. Consiglio una configuazione con due assi di simmetria.

[MarioBon]

Il prossimo sistema usa due woofer Scanspeak da 8 pollici con Xmax=9 mm, un medio Seas in polipropilene ricotto da 7 pollici e il tweeter Scanspeak 9700.



Come si vede c'è un buco nella risposta in potenza di circa una ottava. L'altra cosa da notare è che lo spostamento volumetrico dei due woofer da 8 pollici è superiore a quello del 12 pollici dell'esempio precedente. Il massimo SPL privisto è circa 113 dB SPL (116 di picco a un metro).