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Subwoofer è quel diffusore atto a riprodurre le frequenze più basse dello spettro audio.Ogni Subwoofer è accompagnato dai suoi parametri "Thiele-Small" tramite i quali è possibile ricavarne le caratteristiche elettromeccaniche. Tramite questi parametri possiamo progettare dei Box per sub, al fine di ottenere la migliore riproduzione delle frequenze basse.
Subwoofer a doppia bobina mobile
La tecnologia a doppia bobina mobile incorpora due bobine a 4 ohm e consente di utilizzare il woofer anche a 2 ohm o a 8 ohm d'impedenza, cambiando il collegamento dei terminali. Questo permette all'utente un'ampia varietà di combinazioni e configurazioni a seconda del numero dei woofer e della performance ottenibile dall'amplificatore.
Sistema di raffreddamento della bobina mobile
Il sistema di raffreddamento della bobina mobile è un'innovazione costruttiva che porta una nuova ventata di potenza nell'universo dei subwoofer. Per produrre dei bassi corposi è necessaria una congrua quantità di energia elettrica. Tuttavia, poichè all'aumentare della temperatura della bobina mobile, aumenta pure la sua resistenza elettrica, il che si traduce nel peggioramento del coefficiente di smorzamento e nella conseguente generazione di distorsione. Il foro che si vede sotto i subwoofer a questo serve.
Caricamento di un subwoofer Negli altoparlanti il suono viene prodotto dal movimento di una membrana. Qui iniziano subito i problemi perché vengono prodotti due fronti d'onda sonora: uno dalla parte anteriore della membrana, l'altro dalla parte posteriore. Purtroppo, questi fronti d’onda sono in controfase, col risultato che se provassimo a far suonare a basse frequenze e senza cassa un tipico AP a cono, la distanza che dovrebbe percorrere un fronte d'onda per arrivare a sommarsi con l'altro sarebbe praticamente nulla e i due fronti d'onda sarebbero liberi di annullarsi a vicenda in una sorta di cortocircuito acustico. In pratica vedremmo muovere la membrana senza udire alcunché.
Per una corretta riproduzione delle basse frequenze è quindi indispensabile agire sui fronti d'onda in maniera tale da rifasarli oppure rendere inudibile uno dei due. Per far ciò basta montare l'AP in un box di caricamento, generalmente chiamato cassa acustica, normalmente realizzato in legno. Esistono vari tipi di caricamento ma per tutti, nessuno escluso, è fondamentale un box quanto più rigido ed impermeabile al suono. Meglio non lesinare sulla qualità e sullo spessore del legno. Esagerare non fa male…anzi!
Box Chiuso
Il Box chiuso è semplicemente una scatola e un driver, l’aria che sta nel box funge da sospensione pneumatica per il sub. In Base alle dimensioni che diamo al box modificheremo: risposta in frequenza raggiungibile, il tempo di delay, l’escursione del cono, ecc... . Il sub può essere montato anche a pannello ma con affinità scarse rispetto al box chiuso; per comodità di calcolo, l'aria libera la si assimila in genere ad una cassa chiusa di litraggio almeno doppio del Vas dell'altoparlante da simulare (con gli appositi software) con in più un coefficiente di perdita del box molto elevato.
Ogni tipologia di box ha i suoi pro e contro, ora ve ne elencherò alcuni.
PRO Facile da costruire
E’ molto rapido se viene costruito correttamente
Ha una morbida attenuazione
Può essere applicata molta potenza in tutta la gamma bassa
CONTRO Ha un efficienza molto bassa
Nelle ottave più basse la risposta in frequenza può soffrire
Poca tenuta in potenza alle frequenze più alte della gamma bassa
Formule per la costruzione di un box chiuso
Prima di procedere ai calcoli abbiamo bisogno di alcuni parametri come: Fattore di merito totale dell’altoparlante (Qts), frequenza di risonanza (Fs), volume equivalente di cedevolezza (Vas).
Per i subwoofer che hanno un Qts compreso tra 0,45 e 0,6 non è consigliato farlo lavorare in questo tipo di box.
Calcolo costante Vr:
Vr = ( Qtc / Qts )2 - 1 Qtc- 0.7 è un valore massimamente piatto, valori superiori ad esso esaltano la frequenza d'accordo, scegliendo valori inferiori rendono il "basso" molto frenato.
Vi consiglio scegliere un valore compreso tra 0.5-1.2 indicato 0.8-1.0
Calcolo del volume del box Vb:
Vb = Vas / Vr Calcolo della frequenza di risonanza Fc:
Fc = ( Qtc x Fs ) / Qts
Calcolo volume cestello:
( ( A1 / 2 )2 x 3.14 ) x B / 2
Calcolo volume magnete: (A / 2 )2 x 3.14 x B1.
A questo punto sommate i due risultati e se avete usato come unità di misura il centimetro dividete per 1000 e il risultato sarà in litri.
La sospensione pneumatica E’ la tipologia più semplice e facile da realizzare. Si monta l’AP in un mobile sigillato e a tenuta stagna dove il fronte d'onda posteriore dell'AP non è udibile proprio perché imprigionato all’interno del box. Essendo inudibile dall’esterno non può andare a sovrapporsi al fronte d'onda anteriore.
Risultato: tutto il suono di una cassa chiusa viene esclusivamente dal movimento della membrana, che produce, in maniera udibile, il solo fronte d'onda anteriore.
Il tipo di AP e il volume della cassa determinano la frequenza di risonanza del box (Fc) che può essere solo superiore alla frequenza di risonanza dell'AP in aria libera (Fs) in quanto l'aria contenuta all'interno della cassa si comporta come una sospensione aggiuntiva. Al di sotto della Fc la risposta di un box chiuso cala di 12db per ottava, in assoluto la più bassa pendenza di attenuazione tra tutti i sistemi di caricamento. Nella progettazione di una cassa chiusa è auspicabile partire dalla scelta del valore di Qtc, ovvero, il fattore di merito della risposta in frequenza di un box chiuso. Attenzione al fatto che questo valore non può essere inferiore al Qts dell'AP. Un corretto progetto di cassa chiusa dovrebbe avere un Qtc compreso tra 0.5, molto smorzato, e 1, poco smorzato. Un ottimo valore di compromesso è 0.7 - 0.71 ovvero il massimo valore di Qtc senza enfatizzazioni della risposta. Scegliete l’altoparlante in maniera tale che il Qtc ottenuto con il volume di caricamento desiderato (Vc), sia accettabile.
Ma come si può variare questo fattore di merito?
Se ci pensate, mantenendo lo stesso AP, l'unico parametro che potete variare in una cassa chiusa è il volume di caricamento, il Vc. Anche l'inserimento di materiale assorbente all'interno del box si traduce, semplificando, in un aumento virtuale di Vc. Purtroppo sia la Fc che il Qtc sono inversamente proporzionali al volume di caricamento e quindi non si può variare il Qtc senza variare la Fc.
Parliamo un poco anche del movimento della membrana in un box in cassa chiusa. Più le frequenze che il box è chiamato a riprodurre sono basse più il cono, a parità di pressione, è chiamato a muoversi (escursione). Questo avviene fino alla Fc. Al di sotto di quest’ultima l’escursione tende a stabilizzarsi fino a non crescere più perché il volume d’aria contenuto all’interno del box, chiamato a comprimersi di molto, lo impedisce. Per questo motivo la risposta cala di 12db per ottava sotto la Fc. Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, purtroppo, presenta bassa sensibilità e necessita conseguentemente di amplificazioni molto “robuste”.
Scelta dell’altoparlante:
Sulla scelta di AP adatti a ricoprire il ruolo di subwoofer con questo tipo di caricamento, occorre precisare che non esistono regole ferree ma che si ottengono risposte in frequenza soddisfacenti se i parametri caratteristici di Thielle&Small rispettano le seguenti equazioni :
Fs/Qes<75
0.7>Qts>0.4
E’ necessaria anche grande capacità di muovere aria da parte dell’AP se si desiderano alti volumi d’ascolto indistorti. Quelli che seguono sono parametri molto personali ma, per dare un’idea, un diametro nominale dell’AP di almeno 10" (25cm) congiunto ad una Xmax maggiore di 7mm cominciano ad essere buoni valori. Ad alcuni basta un 20cm con escursione risicata, ad altri non bastano due 30cm con escursioni Kmetriche.
Vantaggi: · Facile da costruire e tollerante agli errori di progettazione
· Transienti migliori (tradotto significa che è molto rapido e “naturale” se correttamente progettato e realizzato)
· Bassa pendenza di attenuazione sotto la frequenza di risonanza (12 dB/ottava)
· Regge molta potenza in tutta la gamma di frequenza riprodotta
· Box generalmente piccoli
Svantaggi: · Efficienza bassa
· Minore tenuta in potenza alle frequenze più alte della gamma bassa con maggiore distorsione
· Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, generalmente, presenta bassa sensibilità
Formule:
· Vc = Vas/[(Qtc/Qts)^2-1]
· Fc = Fs x Qtc/Qts
IL labirinto o linea di trasmissione Anche il labirinto fa parte dei sistemi che sfruttano l'emissione posteriore del diaframma. In questo caso però è l'intero box che realizza il condotto, nel senso che l'onda posteriore viene convogliata in un condotto di sezione almeno pari alla sezione dell'altoparlante e di lunghezza tale per cui all'uscita l'emissione si ripresenta in fase con quella anteriore. La frequenza alla quale le due emissioni si sommano in fase è legata alla lunghezza del condotto, che generalmente viene fatta coincidere con una frazione (1/4) della lunghezza d'onda della frequenza di risonanza in aria libera dell'altoparlante. Esistono diverse varianti e teorie realizzative circa questa tipologia di carico acustico che lo rendono particolarmente interessante per gli autocostruttori. Le prestazioni acustiche di questo sistema possono essere assimilate a quelle di un bass reflex con un elevato fattore di smorzamento. In funzione delle difficoltà di realizzazione e degli ingombri non proprio contenuti, la linea di trasmissione è utilizzata quasi esclusivamente nell'alta fedeltà.
Cassa Reflex Praticamente una cassa reflex è simile ad una cassa chiusa con in più un foro/condotto di uscita per l'aria, il Reflex, che riutilizza l’energia del fronte d'onda posteriore facendolo di arrivare all’ascoltatore. Questo condotto, assieme al volume d'aria di caricamento (Vb), determina una frequenza di risonanza meglio conosciuta come frequenza di accordo del reflex (Fb). E' importante notare che l'AP non influisce minimamente sul valore di questa frequenza.
Ma come? Il fronte d’onda posteriore arriva all’ascoltatore? Ma non era in controfase? In questo caso l’insieme cassa e tubo reflex è capace di modificare il volume e la fase dei fronti d’onda e di proporli all’ascoltatore in modo tale da accordare la loro azione. Semplificando (di molto): il movimento d’aria proveniente dal reflex si somma al fronte d'onda anteriore sopra la frequenza di accordo Fb mentre al di sotto si sottrae e la risposta decade di 18db per ottava. Alla frequenza di accordo il cono dell'AP è immobile e tutto il suono proviene dal reflex. Ciò è dovuto alla risonanza del sistema "volume interno/reflex". Sotto la frequenza di accordo, essendo l’AP praticamente in cortocircuito acustico, il movimento del cono cresce spropositatamente tanto da consigliare l’uso di un filtro passa alto/subsonico per tagliare le frequenze molto al di sotto del Fb se questa è sopra i 45hz.
Rispetto una cassa chiusa il progetto si complica di molto perché, oltre a dover scegliere un AP adatto e un volume di caricamento, occorre decidere il giusto valore di Fb e dimensionare correttamente il condotto reflex. Fortunatamente questo è anche un vantaggio in quanto si possono ottenere risposte in frequenza molto più variegate rispetto la cassa chiusa. In funzione della Fb e della Vb si può decidere di utilizzare il reflex per aumentare l’estensione in basso o per guadagnare qualche prezioso decibel nella gamma utile e diminuire l’escursione del cono a frequenze dove il contenuto energetico musicale è più importante. L’errore più comune è quello di progettare il box senza tener conto dell’importanza della sezione del reflex. In pratica si calcolano la Vb e la Fb e poi ci si ricava la sezione del reflex facendo in modo che il tubo reflex possa essere collocato nel box. Niente di più sbagliato. A causa dell’aumento delle turbolenze e della velocità dell’aria imposta all’interno del reflex ci ritroveremmo con delle vere e proprie “pernacchie” che escono dal reflex quando alziamo il volume. Occorre, quindi, prestare molta attenzione al reflex e possibilmente svasare quanto più possibile le estremità del tubo. A causa delle interferenze delle pareti del box e delle turbolenze, nella pratica difficilmente troverete la stessa Fb indicata dalla simulazione al computer.Ecco un piccolo trucco per verificarne il valore reale sul vostro box appena realizzato. Trattasi del “metodo del dito”. Fissate saldamente il tubo reflex ma lasciandovi la possibilità di smontarlo. Procuratevi un cd test con toni sinusoidali a passi di 1hz ( in rete si trovano dei softwerini per realizzarlo in proprio) e, partendo 10-20hz sopra la Fb desiderata e tenendo un dito poggiato sul cono, scendete di frequenza fino a sentire il cono immobile. Quella è la vera Fb che avete ottenuto. Fate molta attenzione a giocare con i volumi e con le frequenze perché, in caso contrario, rischiate di rompere l’AP. Provate a dare 20hz al progetto reflex di fig.3 e, esagerando col volume, vi ritroverete con il cono in mano! Se vi accorgete che qualcosa non quadra correte ai ripari. Smontante il tubo reflex e modificatene la lunghezza fino ad arrivare alla Fb desiderata. Solo a questo punto fisserete il tubo reflex in maniera definitiva. In generale è meglio posizionare il reflex ad almeno 5 cm dalle pareti laterali e lasciando una distanza pari al diametro del reflex tra la bocca interna di quest’ultimo e la parete posteriore del mobile.
Gli AP adatti a caricamenti reflex presentano generalmente alta sensibilità e quindi si accontentano anche di amplificazioni non troppo “muscolose”.
Scelta dell’altoparlante: Anche per il reflex non esistono regole ferre ma solo indicative. Ecco delle equazioni per verificarne la compatibilità:
Fs/Qes>60
Qts<0.5
Vantaggi: · Risposta in frequenza estesa verso il basso
· Se ben realizzata supera in estensione verso le bassissime frequenze la cassa chiusa
· Maggiore efficienza
· Ottima tenuta in potenza al disopra della frequenza d'accordo del condotto
· Distorsione minima alle frequenze più alte della gamma bassa
· Buon raffreddamento della bobina mobile
· Gli AP adatti al caricamento reflex presentano generalmente alta sensibilità
Svantaggi: · Box generalmente grandi
· Sotto la frequenza d'accordo l'AP suona come senza box e i due fronti d'onda sono liberi di annullarsi a vicenda con un aumento esponenziale dell’escursione del cono al diminuire della frequenza
· Difficile il progetto sulla carta, ancor più difficile rispettarlo nella pratica
· Suono meno naturale con transienti peggiori rispetto un box chiuso
· Possibile obbligo di un filtro passa alto/subsonico
Alcune Formule: ·
Diametro minimo consigliabile condotto reflex a sezione circolare = 0,56 x D x SQR (Xmax)/SQR(SQR(Fb)) dove SQR è la funzione radice quadrata e D è il diametro espresso in millimetri del cono dell’AP
·
Lunghezza Condotto a sezione circolare = [2354,29 x d^2/(Vb x Fb^2)]- (0,85 x d) dove d rappresenta il diametro del condotto
· Per AP con 0.45>Qts>0.2 si possono usare le formule seguenti per progettare un box reflex in accordo B4 (massima estensione con risposta piatta)
Fb = F3 = 0,39 x Fs / Qts dove la F3, coincidente con la Fb, indica il punto a -3db della risposta
Vb = 6,27 x Qts^2 x Vas
Passa Banda
Altri carichi acustici dove la radiazione in ambiente non è prodotta direttamente dal diaframma dell'altoparlante, sono i sistemi passa banda. In questi sistemi il diaframma viene caricato su entrambe le facce, anteriore e posteriore, con volumi distinti. Esistono due tipologie di carico passa banda: il carico simmetrico dove un volume è in sospensione pneumatica e l'altro è un bass-reflex ed il doppio carico reflex dove entrambi i volumi sono reflex. Nel carico simmetrico l'emissione posteriore del woofer
viene assorbita dal volume chiuso mentre quella anteriore viene filtrata dal condotto reflex. La relazione tra la frequenza di risonanza del box chiuso e la frequenza di accordo del reflex determinano la tipica risposta in frequenza a campana (passa banda). Le prestazioni acustiche di questo sistema sono paragonabili alla sospensione pneumatica, si hanno cioèbasse frequenze profonde e smorzate che lo rendono particolarmente indicato nella realizzazione di sub-woofer per alta fedeltà.
Nel doppio reflex i volumi, anteriore e posteriore, sono dei bass reflex. In questo modo vengono sfruttate le emissioni di entrambe le facce del diaframma. Distanziando opportunamente le frequenze di accordo dei due volumi è possibile ottenere una "campana" stretta ad alta sensibilità, oppure larga a sensibilità minore. Una caratteristica molto importante di questa tipologia di carico acustico è data dalla significativa riduzione dell'escursione. Come già visto nei sistemi reflex a radiazione diretta, in corrispondenza della frequenza di accordo si ha la minima escursione del diaframma. Essendoci in questo sistema due
volumi accordati, ci saranno due frequenze in corrispondenza delle quali l'escursione è minima.
Questo consente di applicare maggiori potenze e ridurre le distorsioni armoniche. Anche in questo caso è possibile applicare un filtro attivo ad elevata pendenza per limitare ulteriormente le escursioni alle frequenze ultra
basse. Sulla base di queste caratteristiche i sistemi doppio reflex vengono vantaggiosamente impiegati nel settore professionale, principalmente per installazioni in ambienti chiusi.
La tromba I sistemi di caricameto acustico visti finora possono essere definiti a radiazione diretta, cioè il diaframma dell'altoparlante irradia direttamente nell'ambiente circostante. Nei sistemi a tromba invece, tra il diaframma e l'ambiente viene interposto un dispositivo, la tromba appunto, che amplifica il rendimento dell'altoparlante ed in funzione delle sue caratteristiche geometriche consente di controllare la direttività dell'emissione. Strutturalmente la tromba è costituita da un condotto a sezione crescente che raccorda
due superfici: la gola che è affacciata al diaframma dell'altoparlante e la bocca che è affacciata all'ambiente. La progressione della variazione di sezione del condotto dalla gola alla bocca è regolata da precise relazioni matematiche che definiscono la
tipologia della tromba stessa: esponenziale, conica, iperbolica ecc.
Molto spesso per ovviare alla eccessiva lunghezza si usa ripiegare il condotto in più tratti. In relazione alle caratteristiche di alto rendimento ed agli ingombri non proprio contenuti i sistemi a tromba vengono impiegati in massima parte nel settore professionale, ma sono molti i loro estimatori anche nell'alta fedeltà.
