Potenza Acustica, Efficienza, Sensibilità degli Altoparlanti Dinamici

di Mario Bon

Glossario essenziale: da “Altoparlante” a “Xmax”

Parte Prima: La potenza (meccanica, acustica, elettrica, ecc.)

Parte Seconda: Efficienza dell’ altoparlante dinamico

Parte Terza: La misura della sensibilità

Parte Quarta: Altoparlante Equivalente

Parte Quinta: Valutazione del Rendimento di un generico sistema di altoparlanti.

Appendici: #1 #2 #3

Parte Terza: La misura della sensibilità

28 ottobre 2015 – rivisto il 3 dicembre 2015, riletto il 21 novembre 2016

La misura della sensibilità

Misura della sensibilità tra 200 e 10kHz

La misura di Stereophile

La misura di Soundstage

Le Sensibilità secondo le riviste tedesche Audio, Stereo e Stereoplay.

Calcolo della sensibilità noto il rendimento

La misura della sensibilità

La misura della sensibilità di un diffusore acustico non è una cosa semplice e, spesso, più che una misura è una stima. Per di più, in base alla definizione, non è nemmeno sempre possibile da realizzare.

Risposta in frequenza in asse del diffusore. Viene ripresa in campo vicino alle basse frequenze (<200 Hz) e sopprimendo le riflessioni sul resto dello spettro. I diffusori oltre una certa dimensione vengono misurati a due metri di distanza e quindi il livello misurato riportato a un metro come da normativa. In questo caso viene riportato il dato di sensibilità valutato tra 200Hz e 10kHz (escludendo quindi la prima decade e l’ultima ottava). L’avvallamento tra 500 e 1000 Hz è dovuto alla posizione del microfono di misura e incide sul valore misurato (che dovrebbe essere 89 dB).

La misura della sensibilità si dovrebbe fare in questo modo:

- si porta il DUT in camera anecoica (utilizzabile da almeno 20 Hz in su)

- si determina a quale distanza comincia il campo lontano del DUT

- si determina l’asse privilegiato di radiazione

- si posiziona il microfono nel campo lontano lungo l’asse privilegiato di radiazione

- si applica come stimolo un rumore rosa isoenergetico con valore efficace pari a 2.83 Vrms (equivalenti a 1 Watt su 8 ohm) e banda passante da 20 a 20kHz.

- si registra il valore SPL ottenuto

- si riporta il valore registrato alla distanza di un metro.

Se, per esempio, il diffusore è stato misurato con il microfono a 3 metri di distanza, alla misura vengono aggiunti 9.54 dB. La sensibilità del DUT è espressa da un unico valore di SPL misurato in un solo punto privilegiato. Ci sono diverse osservazioni da fare:

- I diffusori “grandi” vanno misurati ad una distanza che potrebbe risultare superiore a quella del punto di ascolto nell’ effettivo utilizzo. Quindi anche la misura in camera anecoica è, in certi casi, una stima di ciò che avverrà nelle effettive condizioni d’uso.

- Il sistema potrebbe avere una risposta molto irregolare che potrebbe far apparire la sensibilità più alta o più bassa.

- Il dato di sensibilità rilevato in asse ha un significato diverso per un sistema omnidirezionale o per un sistema fortemente direttivo. A parità di sensibilità, il sistema omnidirezionale, in ambiente, genera un campo riflesso più intenso (suona più forte).

Il dato di sensibilità misurato riguarda esclusivamente il campo diretto ed assume un significato quando associato alla risposta in potenza ed all’indice di direttività (alla dispersione). In sostanza il solo dato di sensibilità non è sufficiente se non per caratterizzare il campo diretto (che è prevalente nell’ascolto ravvicinato). Ne segue che la risposta in frequenza è ben rappresentativa del comportamento di un sistema “piccolo” e diventa via via meno rappresentativa man mano che le dimensioni del sistema aumentano

Un caso limite…. Si consideri il sistema mostrato qui a sinistra. Supponiamo di volerlo misurare. Per esercizio, determinare la distanza alla quale inizia il campo lontano e la dimensione minima della camera anecoica necessaria per effettuare delle misure attendibili. Di seguito determinare l’asse privilegiato di radiazione.

Quando non è disponibile una camera anecoica (che comunque è risolutiva solo con i sistemi di dimensioni non esagerate) ci si deve inventare qualche cosa. In passato i sistemi venivano sollevati lontano da terra con delle gru e misurati in campo libero. Oggi si preferisce eseguire le misure in bassa frequenza in campo vicino (fino a 200-300 Hz) mentre la misura di sensibilità viene fatta limitando la banda passante dello stimolo (escludendo o attenuando le basse e le alte frequenze). Anche i sistemi di misura che sopprimono le riflessioni richiedono ambienti vasti (in modo che la prima riflessione giunga con un ritardo sufficiente per consentire la misura delle basse frequenze). Purtroppo il pavimento ed il soffitto sono sempre “troppo vicini” (anche in questo caso, tuttavia, qualche cosa si riesce a fare…).

Misura della risposta in frequenza ripresa in campo vicino ed in camera anecoica a 3 metri circa (Keele). La misura in campo vicino simula la risposta dell’altoparlante su schermo infinito nella regione dove ka<<1. A bassa frequenza l’altoparlante irradia sullo spazio intero mentre alle frequenze più alte irradia su mezzo spazio per effetto della dimensione del pannello frontale. Ciò provoca una differenza di 6 dB nel livello delle basse frequenze rilevate alla distanza maggiore.

Misura della sensibilità tra 200 e 10kHz (o 300-3000 Hz)

Per consentire un utilizzo pratico del dato di sensibilità, la misura viene fatta escludendo gli intervalli di frequenza che soffrono maggiormente degli effetti dell’ambiente e della posizione del diffusore (toe in).

Prendiamo un rumore rosa isoenergetico con banda passante di 3 decadi da 20 a 20kHz. Togliamo la prima decade 20-200Hz e l’ ultima ottava 10k-20kHz.

Perché si fa questo? La risposta in frequenza in ambiente, sotto la freq. di Schroeder, è dominata dai modi normali. Limitando la stima della sensibilità al di sopra dei 200 Hz si taglia buona parte del contributo dell’ambiente (altri alzano questo limite a 300 Hz). Questo è corretto perché la posizione relativa del diffusore rispetto alle pareti può alterare significativamente la risposta in frequenza. Per quanto riguarda l’ultima ottava (10-20kHz) molto spesso il livello in questo intervallo di frequenze viene alzato per tenere conto della ridotta dispersione dei tweeter (e questo provoca una sovrastima della sensibilità).

In pratica, limitando la misura tra 200 e 10kHz, sono stati tolti 13 terzi di ottava

- 10 terzi di ottava tra 20 e 200 Hz (una decade = 10 terzi)

- 3 terzi di ottava tra 10 e 20 kHz (una ottava = 3 terzi)

Togliendo questi 13 terzi di ottava (sui 30 complessivi), il valore RMS dello stimolo si riduce di 10log(13/30)=-2.46 dB. Questo significa che, se la risposta del diffusore fosse perfettamente piatta e producesse, in camera anecoica, su tre decadi e con 2.83 Vrms di stimolo, 90 dB SPL, riducendo (solo) la banda passante del rumore a 200-10kHz ne produrrebbe 87.36 dB. Il problema si supera regolando la tensione RMS dello stimolo a banda limitata per ottenere ancora 2.83 V rms. Evidentemente il dato ottenuto non può più essere messo direttamente in relazione con il rendimento del sistema.

La misura di Audio Review

La rivista italiana Audio Review misura la sensibilità dei diffusori in camera semi anecoica nell’intervallo 200-10K con dispositivi calibrati. Le misure sono eseguire da G. P Matarazzo e sono generalmente affidabili.

La misura di Stereophile

La rivista americana Stereophile misura la sensibilità dei sistemi di altoparlanti con un fonometro impostando la curva di pesatura B (che attenua in una certa misura gli estremi della banda). Questa stima concorda sostanzialmente con le misure di Audio Review. I commentatori di Stereophile attribuiscono grande importanza alla regolarità (piattezza) della risposta in ambiente nella decade tra 500 e 5000 Hz..

L’importanza psicoacustica di questa decade è nota almeno dal 1950.

La misura di Soundstage

La rivista canadese Soundstage fa eseguire le misure ad un ente indipendente che dispone di una amplia camera anecoica. La sensibilità viene calcolata come valore medio dell’SPL nella banda da 300 a 3000 Hz (banda vocale) ricavandola dalla risposta in frequenza. Anche in questo caso i risultati risultano compatibili con quelli di Audio Review e Stereophile (almeno per i sistemi di altoparlanti con una risposta ragionevolmente piatta).

Le Sensibilità secondo le riviste tedesche Audio, Stereo e Stereoplay.

Le stime proposte da Stereophile, Audio Review e Soundstage sono sostanzialmente compatibili tra loro con scarti nell’ordine di più o meno un deciBel.

Le riviste tedesche seguono un criterio che non sempre fornisce valori compatibili

- non si sa se usano uno stimolo di 2Vrms o di 2.83 Vrms

- non si sa se misurano la sensibilità a uno o a due metri

(spesso scrivono a cosa e sembrano farne un’altra). Complessivamente la differenza attiva a 9 dB (3 per la tensione dello stimolo e 6 per il raddoppio della distanza). La stima della sensibilità operata dalle riviste tedesche rimane, per chi scrive, un mistero irrisolto. C’è da dire che i diffusori di produzione tedesca risultano sempre di sensibilità elevata.

Le Sensibilità secondo i produttori di altoparlanti.

Qui c’è una certa confusione. Alcuni riportano il dato misurato a 1000 Hz, altri la media del livello in gamma media Seas e Scanspeak forniscono le misure effettuate in camera anecoica con apparecchiature calibrate. In particolare Seas misura i woofer montati in cassa chiusa mentre Scanspeak fornisce le misure con l’altoparlante montato su uno schermo “infinito”. Tutto sommato, se vengono fornite delle risposte in frequenza con una chiara descrizione delle condizioni al contorno, i risultati si interpretano univocamente.

Quando non sono specificate le condizioni al contorno vale tutto. La tendenza, nel campo del professionale, è di far apparire dati di sensibilità molto elevati. Ciò si giustifica considerando che nel campo professionale la risposta alle basse frequenze viene equalizzata e, pertanto, la tenuta in potenza è più importante del dato di sensibilità.

Esempio di data sheet di un altoparlante professionale da 8”. La misura è riferita al woofer in cassa reflex misurato in camera anecoica. La sensibilità misurata a bassa frequenza (sotto i 100 Hz) è si circa 90 dB ma viene dichiarata pari a 95 dB (valore ottenuto a 800 Hz). Il rendimento a 90 Hz è pari a 0.79% (su 5 ohm e spazio intero) Ma questo altoparlante sopporta 400 Watt quindi i 4-5 dB che mancano possono essere ottenuti equalizzando la risposta. 400 watt consentono di aumentare il livello di 26 dB. Sacrificandone 5 per l’equalizzazione ne restano disponibili 21 che consentono di raggiungere 95+21=116 dB SPL a un metro (sempre che Xmax lo consenta).

Calcolo della sensibilità noto il rendimento

Sia dato un woofer di cui è noto il rendimento h (a frequenza abbastanza bassa) dove Q=1. Se, per esempio h = 2% significa che per un watt elettrico in ingresso si ottengono 0.02 Watt acustici in uscita. Dato che con 1 Watt acustico e Q=1 si ottengono 109.2 dB a 1 metro con 0.02 Watt se ne otterranno 17 in meno (10 log(0.02)=-17dB) quindi la sensibilità di questo altoparlante vale 109.2-17=92.2 dB (su spazio intero). Quindi la sensibilità si calcola come

SPL = 109.2 + 10 log(h / 100) – 10 log(Q) = 89.2 + 10 log(h) – 10 log(Q) dB

Segue la parte Quarta : Altoparlante Equivalente