Rim


il bordo esterno dell’altoparlante dinamico fissa il bordo esterno del diaframma al cestello. In teoria dovrebbe essere un elemento resilente con la funzione di guarnizione per impedire che l’aria fuoriesca lungo il bordo dell’altoparlante. Viene però utilizzato anche come elemento elastico e per mantenere l’equipaggio mobile centrato nel traferro. Può essere realizzato con materiali diversi e con forme diverse:

 

Neoprene

Piatto (Siare, Audax, Focal)

 

Foam

Mezza onda

Molto leggero, degrada nel tempo

Gomma naturale o butilica

Mezza onda

(Sica: doppia onda progressiva)

Non degrada nel tempo

Tela trattata

Doppia o tripla onda

 

 

Il foam sarebbe un ottimo materiale perché è elastico e molto leggero ma degrada nel tempo. In particolare è sensibile all’ozono quindi non è adatto per applicazioni all’aperto.

Esiste anche un midrange senza rim (B&W) con il diaframma fissato direttamente al cestello e, in passato, sono stati realizzati dei woofer completamente privi di rim.

 

Un’altra funzione molto importante del rim é quella di smorzare le vibrazioni che si propagano radialmente lungo il diaframma (che, se si riflettono formano onde stazionarie nel diaframma) e smorzare i modi normali “a campana” (presenti nei coni non abbastanza rigidi). Il rim ha un peso e delle dimensioni: tende a risuonare e a muoversi in controfase rispetto al diaframma provocando delle irregolarità nella risposta in frequenza in gamma media (di solito tra 500 e 1000 Hz).

Quando a queste a irregolarità corrisponde anche un picco nella impedenza elettrica significa che c’è una variazione sensibile di massa efficace del diaframma (con conseguente aumento della velocità della bobina mobile ed in genere anche della distorsione).

 

Quello che viene mostrato qualitativamente nella figura, qui sotto può essere visto in una misura che è stata fatta su due campioni dello stesso altoparlante con cono in carta. In un campione il bordo non è trattato, nell’altro il bordo è trattato (si noti che è trattato il bordo e non il rim).

 

Come si vede il bordo non trattato genera un buco nella risposta e il picco nell’impedenza. Questo dipende dal diaframma e non dal rim. Il rim è importante ma ancora più importante è come il rim si accoppia con il cono. Nell’esempio che segue è riportata la risposta in frequenza di tre campioni dello stesso modello di woofer che sono stati assemblati a mano. Due sono venuti bene mentre il terzo (traccia blu) non è stato incollato a dovere. In questo caso il rim è lo stesso, il diaframma è lo stesso ma l’assemblaggio è diverso. Questo, tra l’altro, è un buon motivo per preferire gli altoparlanti assemblati, per quanto possibile, a macchina.

 

 

Si nota il “buco” nella risposta in frequenza ed il corrispondente picco nel modulo dell’impedenza. Questo non significa che si possa scegliere un rim qualsiasi…significa che non si può valutare le prestazioni di un altoparlante solo dal tipo di rim impiegato perché quello che fa la differenza è come il rim si accoppia con il bordo del diaframma.

Il rim in gomma a mezza onda presenta una resistenza (lungo il diametro della semionda) molto scarsa e non è quindi molto adatto a fornire un vincolo per tenere l’equipaggio mobile centrato nel traferro. Al contrario un rim a doppia o tripla onda presenta una resistenza alla trazione molto superiore ed è molto più adatto a mantenere l’equipaggio mobile centrato. Per questo nei woofer per impiego professionale (il cui diametro nominale arriva a 24”) e che vengono sottoposti ad escursioni importanti, viene utilizzato il rim a doppia o tripla onda.

Per contro il bordo a doppia o tripla onda presenta una costante elastica, lungo la direzione del moto, più alta rispetto al rim in gomma (è più “duro”). Ne segue che:

 

Rim in gomma a mezza onda

Costante elastica bassa, caricamento in cassa chiusa o reflex

Rim in tela a doppia o tripla onda

mantiene allineato l’equipaggio mobile in condizioni gravose, costante elastica elevata, indicato per caricamento reflex

 

Il rim e lo spider sono gli elementi elastici che forniscono la forza di richiamo che riporta l’apparato mobile alla posizione di equilibrio. Come tutti gli elementi elastici hanno dei “difetti” che li allontanano dal poter essere ideali: le dimensioni fisiche, la massa, la caratteristica non lineare, l’isteresi. La forza elastica dovrebbe essere (Legge di Hooke):

 

 

F=-kx

X spostamento (in metri)

K costante elastica  (1/C)

Il segno meno indica che la forza elastica si oppone sempre al moto

 

In realtà la costante elastica k non è costante ma dipendente dall’ampiezza dello spostamento x . Dato che il rim non funziona da solo e che la sua caratteristica si compone con quella dello spider, dobbiamo considerare la costante elastica complessiva fornita da rim+spider. Trascurando l’isteresi, sviluppiamo k in una serie di Taylor (serie di potenze):

 

k = k0 + ax + bx2+cx3 +…+zxn

 

Quando l’altoparlante è montato in cassa chiusa, il volume della cassa si comporta come una molla con coefficiente kc. Il coefficiente elastico complessivo diventa:

 

ktot =kc+ k0 + ax + bx2+cx3 +…+zxn

 

possiamo fattorizzare (kc+k0) ottenendo:

 

ktot =(kc+ k0) (1 + ax/(kc+ k0) + bx2/(kc+ k0)+cx3/(kc+ k0) +…+zxn/(kc+ k0))

 

ktot è la somma della cosante elastica del rim, dello spider e della cassa.

Se, per esempio, kc vale 3k0 (ovvero il volume della cassa è pari a un terzo della VAS dell’altoparlante) tutti i termini dello sviluppo in serie risultano ridotti di quattro volte. Dato che la distorsione dipende dall’ampiezza di quei coefficienti, la distorsione diminuisce e diminuisce ancor più se il volume della cassa viene ulteriormente ridotto (almeno fino a quando lo spostamento volumetrico è inferiore al 5% del volume della cassa).

 

a sinistra la caratteristica reale di un woofer: è ben visibile l’isteresi (documentazione Philips - Elcoma). A destra caratteristica statica ideale ma con saturazione. In questo caso la caratteristica è lineare e non c’è isteresi: l’unica causa di distorsione è determinata dal superamento della massima escursione (saturazione o clipping). Questa caratteristica è dovuta al contemporaneo contributo del rim e dello spider. Non ha senso considerare separatamente questi due contributi perché potrebbero anche compensarsi a vicenda.

 

 

Quindi, negli altoparlanti per cassa chiusa, si preferisce mantenere l’elasticità propria dell’altoparlante bassa (VAS grande) per mantenere bassa la frequenza di risonanza. In tal modo è possibile montare l’altoparlante in un volume ridotto (per esempio 3 volte più piccolo di VAS) riducendo la distorsione e mantenendo una frequenza di risonanza del sistema ancora sufficientemente bassa. In sostanza la linearità dell’altoparlante viene affidata alla linearità della elasticità fornita dal volume nella cassa.

Per esempio per ottenere un sistema con fs=40Hz in una cassa da 40 litri di volume serve un woofer con f0=20 Hz e VAS di circa 120 litri. La possibilità di scendere in frequenza, con volumi ridotti, si paga in termini di rendimento. Nessuno vieta di utilizzare un woofer di questo tipo con un allineamento reflex.

Quanto detto riguarda la linearità della elasticità dell’altoparlante.

Ci sono altri due aspetti: uno riguarda la massa della molla (il rim e lo spider sono molle). Il solo fatto che una molla si dotata di massa produce distorsione non lineare (come insegnano negli istituiti tecnici italiani). Da questo punto di vista qualsiasi molla (rim o spider) dovrebbe avere la massa più bassa possibile. Da questo punto di vista si dovrebbe usare il foam.

Il terzo aspetto è l’isteresi. Ove c’è smorzamento interno (che è una caratteristica necessaria) c’è inevitabilmente isteresi (che dà conto dell’energia dissipata nel materiale). L’isteresi è un male. La gomma è un materiale altamente elastico e a basa isteresi, i materiali resilenti non sono elastici e presentano elevata isteresi. La tela non è un materiale resilente ed acquista le proprietà delle sostanze di cui viene impregnata. Un po’ di isteresi resta a causa dell’attrito colombiano tra le fibre.

Ma qui si comincia a scendere troppo sul tecnico.

 

Quello che deve essere chiaro è che il rim deve essere valutato nel contesto dell’impiego cui è destinato l’altoparlante stesso. Per ogni applicazione e per ogni diaframma c’è un rim che si accoppia nel modo migliore. Parlare delle qualità del rim in assoluto ha poco senso tranne in un caso: il rim a semionda in foam il quale si degrada con il tempo. In passato Cisek ha utilizzato rim in foam che veniva trattato con un fluido appiccicoso che lo ricopriva.

 

In Italia una sospensione in foam dura 10 anni, in Tailandia ne dura 5. Attualmente la SB afferma di disporre di un foam a lunga durata (sperimentato a Bankok…). Ma per i risultati definitivi aspetterei qualche anno ancora.

 

Per completare il discorso resta da dire che, in letteratura, si trova la soluzione della equazione di Diffing

In questa equazione il temine kx è sostituito da kx+ax2+bx3 (in sostanza si ferma al secondo termine dello sviluppo in serie di k). Il risultato per Fo diverso dalla frequenza di risonanza fondamentale dell’altoparlante è mostrato qui sotto:

 

Qui si vede distorsione armonica, di intermodulazione e sub-armonica (che nessuno misura ma è quella che fa suonare male gli altoparlanti anche se hanno le misure “buone”).

 

La forza kx+ax2+bx3 è dovuta a rim, spider ed dalla elasticità fornita dal volume d’aria racchiuso nella cassa.

 

Resterebbe da trattare la differenza tra “molle dure” e “molle morbide” ma tutte gli elementi elastici usati negli altoparlanti sono di tipo “morbido” (almeno così si spera).