La
scelta conseguente è stata quindi di centrare il progetto su altoparlanti a
larga banda aiutati in basso da un woofer adeguato curando soprattutto la
coerenza di fase nella zona di incrocio.
La scelta degli altoparlanti ed il loro caricamento
Ho
quindi cominciato a pensare ad una soluzione e ne è uscito un percorso che mi
ha portato ad ipotizzare prima tutta una serie di progetti basati su array più
o meno numerosi di Fostex FE83 o FE103 utilizzati a dipolo o in cassa chiusa
uniti a un woofer sempre in cassa chiusa. Non volevo infatti perdere quelle
caratteristiche tipiche dei Fostex che mi appagavano all’ascolto.
Nella
figura sono mostrate le varie fasi della evoluzione del progetto che è passato
per nove diverse ipotesi prima di
approdare alla soluzione finale
Il
progetto ha subito una svolta in
seguito all’ascolto di un coppia di Fostex FX200 montati in bass-reflex da 35
litri così come suggerito dal costruttore.
Questo
altoparlante mi colpì per la completezza del suo suono e per la notevole
facilità di emissione, decisi quindi di usarlo come base del progetto.
Per
la parte bassa dello spettro, dopo una attenta selezione, scelsi un altoparlante
Ciare che fosse adeguatamente veloce e adatto a a lavorare in cassa chiusa: il
modello HW202.
In
seguito decisi di rifinire meglio la gamma alta con il super tweeter a tromba
FT17H sempre della Fostex.
Fostex
FX200
|
|
| Il
Fostex FX200 è un largabanda da 200mm di diametro monomembrana
con una estensione che arriva in alto a 20 kHz.
Caricato in bass-reflex
può essere un ottimo monovia, ma in questa configurazione
mostra qualche
limite data la piccola escursione possibile in zona lineare (Xmax=1mm). Pur
avendo una sensibilità di 92 dB/W(m), a livelli di ascolto normali è
facile oltrepassare la massima escursione causando quindi distorsioni per la non
linearità di risposta (intermodulazione).
|
cliccare
per ingrandire |
| Come
si vede dal grafico a destra ad 1W di potenza l’altoparlante esce dalla zona
di funzionamento lineare sotto 100Hz.
Ho
deciso quindi di utilizzarlo in una cassa chiusa tagliandolo in basso in modo di
arrivare a pressioni acustiche vicine ai 100 dB rimanendo entro la massima
escursione di 1mm
|
cliccare
per ingrandire |
| Il
grafico a destra mostra l’impedenza reale dell’altoparlante misurata in aria
libera e nel volume chiuso da 35 litri con assorbente acustico utilizzato per la
realizzazione finale.
Il
materiale smorzante è stata aggiunto fino a ottenere un coefficiente di merito
totale di circa 0.7 e quindi una risposta senza sovraelongazioni e con la
massima velocità.
|
cliccare
per ingrandire |
Ciare HW202
|
 
|
|
L’altoparlante
Ciare HW202 è stato scelto perché nella gamma dei 200mm di diametro, sia per i
valori di Qts e Vas che per il fatto di avere il cono in carta trattata, è il
più adatto ad essere caricato in cassa chiusa e quindi a sposarsi bene con la
velocità del Fostex.
Per
aggiungere un poco di estensione in gamma bassa ho aggiunto una massa di 7g al
cono utilizzando degli O-ring in neoprene incollati direttamente sul diametro
della bobina.
Inoltre,
per una ragione che spiegherò più avanti, ho utilizzato due driver in
parallelo per ogni diffusore.
Infine
ho scelto di collegare i woofer ad un amplificatore dedicato a bassa impedenza
di uscita con filtro passa.basso attivo in modo che l’amplificatore principale
possa pilotare i largabanda nel miglior modo possibile.
|
cliccare
per ingrandire
cliccare
per ingrandire |
Fostex FT17H
|
|
|
Il
Fostex FT17H è un super tweeter a tromba con una estensione oltre i 40 kHz ed
ha un buon rapporto prezzo/prestazioni.
Ho
pensato di usarlo come complemento per le altissime frequenze dove mi sembrava
che l’FX200 diventasse un poco calante e troppo direttivo.
Il
supertweeter è tagliato a circa 15 kHz ed è collegato ad un attenuatore in
modo da poterne calibrare l’intervento anche in funzione dell’ambiente di
ascolto
|
cliccare
per ingrandire |
La
tabella mostra il riepilogo delle grandezze caratteristiche dichiarate
dal costruttore e rilevate dopo un rodaggio di 50 ore con rumore rosa.
Le
misure sono state effettuate utilizzando il software Speaker Workshop ed un
computer IBM Thinkpad 2647 con scheda audio integrata .
Sono
anche riportate le grandezze derivate dalle precedenti e che sono state
utilizzate per le simulazioni di funzionamento.
| Nella
foto a lato è mostrata la modifica degli altoparlanti HW202 per aumentare
di 7g il peso della massa mobile incollando due O-ring sul diametro della
bobina.
|
|
Il mobile mobile: le ragione tecniche ed estetiche
|
La
scelta del mobile è sempre legata a considerazioni tecniche
derivate dalla specifiche di progetto e a valutazioni estetiche
perché con questi oggetti bisogna necessariamente convivere.
L’aspetto
tecnico mi ha portato a progettare un mobile dove il Fostex FX200 ed i due Ciare
HW202 avessero ciascuno un volume separato. Inoltre ho scelto di disporre i due
woofer simmetrici rispetto al largabanda in modo da portare a coincidere i punti
di emissione delle due bande di frequenza. Potrebbe sembrare inutile perché
alla frequenza prevista per l’incrocio, attorno ai 150 Hz, la lunghezza d’onda
è di oltre 2 metri e gli altoparlanti potrebbero essere assimilati ad una
sorgente puntiforme unica in qualsiasi posizione stiano entro una sfera di 1
metro di diametro. In realtà, avendo scelto di minimizzare la rotazione di fase
utilizzando un crossover del 1° ordine, i woofer si trovano ad avere una
emissione ancora udibile oltre i 1000 Hz quando non si comportano più come
sorgenti puntiformi. In questo caso una disposizione “qualsiasi” porta a
risultati “qualsiasi” con perdita di coerenza e di stabilità di immagine.
Dal
punto di vista estetico, sono approdato a due soluzioni entrambe completamente
calcolate, progettate e disegnate fino ai particolari costruttivi. Per ogni
soluzione è stato elaborato un modello tridimensionale sia esterno che dei
volumi interni in modo da poterne verificare l’aspetto e le eventuali
possibilità di risonanze.
Le
figure mostrano il risultato della simulazione 3D.
La
scelta della comunità familiare è caduta sulla soluzione n°2 giudicata più
“vecchio stile” ed in armonia con il resto della casa.
|
cliccare
per ingrandire
|
|
cliccare
per ingrandire
|
La simulazione dei parametri di funzionamento
|
cliccare
per ingrandire
|
Per
la simulazione dei parametri di funzionamento inizialmente ho utilizzato i
soliti software reperibili gratis o a basso costo su internet. La mia preferenza
va a WinISL per la completezza dei risultati ottenibili soprattutto nella
versione Pro. Utilizzo anche Speaker Pro 6 della Visaton, un vecchio programma
in Dos, ma molto completo anche perché è uno dei pochi che permette la
simulazione complessiva del diffusore e non solo del singolo altoparlante.
Dopo
i primi dimensionamenti di massima fatti utilizzando i programmi ricordati, mi
sono reso conto che essi non erano assolutamente sufficienti per uno degli scopi
che mi ero prefisso: studiare l’emissione complessiva in modulo e fase degli
altoparlanti nella zona di transizione tra largabanda e woofer in modo da
dimensionare il crossover ottimizzando la pressione acustica e la fase acustica.
Qualche risultato l’ho ottenuto con Speak
della GedLee LLC, ma il programma era parecchio instabile almeno sul mio PC.
Non
volevo nemmeno ricorrere a software di alto costo e quindi ho deciso di farmi la
mia simulazione utilizzando Excel costruendo un foglio relativamente complesso
che tiene conto nell’elaborare la risposta complessiva della vera impedenza
dell’altoparlante, del crossover attivo o passivo e di eventuali reti di
compensazione dell’impedenza, il tutto per largabanda + woofer. Nella figure a
sinistra si vedono alcune delle schermata del programma.
|
|
cliccare
per ingrandire
|
Successivamente
sono passato all’utilizzo del programma di simulazione Microcap7 con il quale
ho brillantemente risolto tutti i miei problemi. È chiaro che per utilizzare
sia Excel che Microcap occorre una certa conoscenza sia della teoria dei
circuiti in generale sia in particolare di quella dei circuiti equivalenti
acustici ed elettrici degli altoparlanti. In questo mi ha aiutato la mia
formazione scolastica di ingegnere elettrotecnico.
In
particolare la procedura di calcolo da me applicata può essere così riassunta:
-
Misura
dei parametri reali degli altoparlanti utilizzando il programma Speaker Workshop
-
Calcolo
dei valori dei componenti del circuito equivalente elettrico degli altoparlanti.
Il calcolo è fatto in automatico dal sopraccitato programma.
-
Calcolo
dei parametri della cassa acustica e combinazione con i parametri degli
altoparlanti per avere i valori dei componenti del circuito equivalente
elettrico degli altoparlanti nei volumi di lavoro. Questo calcolo viene
effettuato utilizzando un foglio Excel la cui schermata riassuntiva è mostrata
a pagina 8
-
Inserimento
del circuito equivalente così calcolato nello schema di simulazione Microcap
unitamente ai parametri del crossover attivo o passivo e di quelle altre
grandezze che possono interessare la risposta del sistema: impedenza
amplificatori e cavi. Nella figura sottostante è illustrato il circuito
equivalente del sistema pre + crossover attivo + cavi + altoparlanti in una
delle configurazioni prese in esame.
-
Simulare
la risposta in frequenza del sistema. Con gli strumenti a disposizione nel
programma è molto semplice sommare vettorialmente le emissioni di più
altoparlanti e quindi verificare la risposta complessiva in modulo e fase
-
Ottimizzare
i parametri a disposizione per ottenere il risultato voluto. Microcap ha una
funzione di ottimizzazione che aiuta notevolmente in questa fase.
Ho
eseguito questa procedura in due casi illustrati di seguito:
•Pre
+ biamplificazione
Le
figure seguenti mostrano il risultato della simulazione nel caso
dell’utilizzo di preamplificatore con crossover attivo e biamplificazione il
cui circuito equivalente è riportato nella pagina precedente.
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
I
parametri del crossover sono stati ottimizzati per avere una risposta
complessiva, in termini di somma vettoriale delle emissioni degli altoparlanti,
il più regolare possibile sia in modulo che fase.
Il
diffusore ha in basso un limite a meno 3dB attorno ai 40 Hz e dimostra una
notevole regolarità nella risposta in fase
Il
modulo e la fase dell’impedenza teorica dei woofer e del largabanda sono
riportati nel diagramma a lato.
Entrambi
costituiscono per il relativo amplificatore un carico regolare e senza problemi.
Naturalmente
l’impedenza nominale del largabanda é di 8 ohm, mentre quella dei due woofer
in parallelo é di 4 ohm.
Quest’ultima
sarà gestita da un amplificatore a stato solido da 80W con fattore di smorzamento di
circa 100 che ho realizzato in modo specifico per questi diffusori.
In pratica, dopo
una verifica all'ascolto e facendo tesoro delle indicazioni e delle critiche
costruttive avute durante la finale del Trofeo Ciare 2004 il circuito completo
dei collegamenti stato ottimizzato come da figura seguente:
Come si vede é stato
inserito un filtro notch nel circuito del Fostex FX200 per attenuare un picco di
circa 5 dB a 4000 Hz dovuto ad un breakdown del con (quasi tutti i LB Fostex da
8" richiedono un filtro notch...). L'immagine é migliore e la fatica di
ascolto si riduce. Per mia comodità ho installato il filtro notch nel
contenitore dell'amplificatore dedicato ai diffusori, ma nulla vieta di
installarlo all'interno del mobile; in questo caso potrebbe essere collegato a
valle della derivazione del FT17H.
Il passa basso
dell'ampli dedicato é realizzato secondo lo schema seguente in modo da
permettere una regolazione sia della pendenza di attacco che una (parziale)
compensazione del roll-off verso il basso dei woofer in cassa chiusa.
La regolazione del guadagno dell'amplificatore dedicato può
essere fatta utilizzando un segnale a 100 Hz ed un millivoltmetro in c.a.: a 100
Hz la tensione di uscita dell'ampli dedicato ai woofer deve essere da 1 a 1.5
volte la tensione applicata al FX200. La frequenza di taglio va regolata a 150
Hz.
Un affinamento in funzione dell'ambiente di ascolto e dei gusti
personali é possibile ad orecchio o misurando la risposta reale dei diffusori
con schede tipo Clio o cloni vari...
•Ampli
integrato
Le figure seguenti
illustrano il caso di utilizzo di un amplificatore integrato.
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
La
sezione passa alto del crossover per il largabanda è implementata in modo
passivo con un condensatore da 200 µF (ho simulato su Microcap con 250µF, ma
poi in pratica ho utilizzato 200µF alzando un poco la frequenza di taglio.
La
curva di risposta in modulo e fase è simile a quella del caso precedente.
Lo schema dei
collegamenti in questo caso é il seguente:
Il trasformatore di segnale serve ad isolare
galvanicamente i due amplificatori e dovrebbe avere un rapporto in discesa che
va da 1:5 a 1:10 ( e naturalmente una buona risposta fino ai 30 Hz.
La tarautura si fa come nel caso precedente.
La realizzazione
Una
volta operate le scelte tecniche ed estetiche, sono passato ai dettagli della
realizzazione ed infine ai disegni costruttivi.
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
Lo
studio dei divisori interni e degli irrigidimenti è stato accurato in modo da
evitare ampie superfici di forma regolare che potessero andare in risonanza su
frequenze specifiche.
Date
le notevoli dimensioni ho utilizzato una struttura composita: le pareti sono
costituite da un pannello interno in truciolare con spessore di 18mm e da un
pannello esterno in MDF da 12mm per complessivi 30 mm. Inoltre sulle pareti
laterali sono applicati della tavole in multistrato marino Okume da 20mm aventi
sia funzioni estetiche che di rinforzo.
Per
la costruzione ho iniziato ad assemblare la scatola interna in truciolare con I
relativi setti divisori e gli irrigidimenti interni. Ho utilizzato abbondante
colla vinilica e circa 200 viti per ogni diffusore.
I
pannelli esterni in MDF sono stati incollati sulle pareti della scatola interna
curando particolarmente le giunzioni in modo da vere un parallelepipedo perfetto
Sono
poi passato alla fase di finitura della superficie e verniciatura. Ho
utilizzato un buon sottofondo riempitivo applicato e lisciato più volte
fino ad avere una superfici perfettamente regolari.
Ho
rifinito il mobile con una vernice nera opaca molto resistente.
I
pannelli laterali in multistrato Okume sono state preparati separatamente
lasciandoli in colore naturale e applicando a tampone sulla superficie parecchi
strati di gommalacca sino ad avere un aspetto lucido e setoso.
Per
I piedi di appoggio ho utilizzato dei cilindri in teflon caricato con grafite
saldamente avvitati sul pannello di base.
Ciascuno
dei diffusori pesa circa 80kg, ho quindi inserito nella parete superiore due
inserti in ottone con un foro filettato che servono per agganciare un’asta in
legno lunga circa due metri che faciliti il trasposto a spalla dell’oggetto.
Il
pannello frontale è arretrato di 10mm in modo da creare una sede per la cornice
della griglia di protezione
.
Il
perimetro di queata sede è rifinito con un profilo da 10x10mm in legno chiaro, sempre verniciato con gommalacca,
avente sia funzione estetica che di fissaggio della griglia di protezione
anteriore. Ho utilizzato dei magneti cilindrici con diametro di 5mm e lunghezza
5mm annegati in posizioni corrispondenti nella cornice e nel telaio della
griglia. Ciascuna coppia di magneti ha, quando é in contatto, una forza di
attrazione di circa 50N e per ogni griglia ne ho utilizzato 16 coppie.
Per
il materiale della griglia di protezione ho ricercato una soluzione che mi
permettesse di utilizzare i diffusori in modo accettabile tenendola in
posizione. La scelta finale è caduta su una rete in kevlar leggera e non molto
fitta. Si è dimostrata eccezionalmente trasparente al suono e
naturalmente molto resistente ad ogni tentativo di attacco agli altoparlanti
sempre possibile in una casa frequentata da bambini.
Le misure finali
METODOLOGIA
.
Per
le misure finali ho utilizzato il software Speaker Workshop, reperibile freeware
su internet e che permette delle misure sufficientemente accurate disponendo di
un buon microfono + preamplificatore + scheda audio.
Per
i primi ho utilizzato la sezione micro+pre di un fonometro B&K che, anche se
un poco datato, ha una linearità eccellente da 20Hz a 40 kHz. La scheda audio
è quella del mio portatile IBM Thinkpad con sampling rate fino a 48kHz.
Ho
eseguito misure in campo vicino per la parte di spettro fino a 500 Hz e in asse
ad 1m da 500Hz a 20 kHz. Non disponendo di una camera anecoica ho utilizzato
come luogo di misura il giardino di casa in giornate di assoluta calma sia di
vento che di uomini e cose (agosto 2003)
|
|
La
risultante delle misure è mostrata nelle figure seguenti.
|
Risposta in frequenza
cliccare
per ingrandire
|
Ritardo di fase
cliccare
per ingrandire
|
COMMENTO ALLE
MISURE
Le
misure eseguite mostrano una corrispondenza tra la simulazione effettuata con
Microcap e la realtà.
La
risposta in frequenza dei diffusori è lineare sia in gamma alta dove il calo
sopra i 15kHz del Fostex FX200 è compensato dalla presenza del supertweeter
FT17H, sia in gamma bassa dove il limite a meno 3 dB si trova a 35 Hz.
La
misura del ritardo di gruppo mostra un valore costante sino agli 80 Hz per poi
salire in modo graduale.
Non
ci sono variazioni nel ritardo di gruppo all’intorno della zona di transizione
tra largabanda e woofer e questo dimostra che il passaggio avviene senza
introdurre rotazioni di fase come previsto in fase di progetto.
L’inserimento in ambiente
|
La
musica va vissuta: è convinzione mia e fortunatamente anche di mia moglie, che
la musica sia parte della vita e che quindi non vada relegata in locali
particolari. In casa nostra abbiamo un impianto audio di un certo livello in
ogni stanza e qualcuno di essi è sempre in funzione.
Nel
caso particolare, avendo a che fare con due oggetti di 80kg, alti 140cm, non è
stato facile convincerci di portarli dal laboratorio alla sala di casa, ma
infine lo abbiamo fatto…
I
diffusori si notano, ma mi sembra che siano inseriti nell’insieme del locale
in modo armonico anche grazie alla scelta di colori e materiali effettata nella
fase progettuale.
|
cliccare
per ingrandire
|
cliccare
per ingrandire
|
L’ascolto
I
diffusori sono collegati ad un CD player Rotel e un amplificatore valvolare con
Push-Pull di EL34 e l’ambiente di ascolto è mediamente assorbente per le
presenza di mobili e tappeti.
Le
impressioni di ascolto sono soggettive e lo sono ancora di più quando chi le
riporta è il costruttore dei diffusori, darò quindi solo due brevi flash:
