Altoparlanti dinamici e Pilotaggio Ibrido

di Mario Bon

13 dicembre 2010

rivisto il 27 gennaio 2011, 20 settembre 2015

Di Mario Bon

03/09/2008

L’impedenza di un altoparlante dinamico a bobina mobile presenta tre componenti:

resistiva	Resistenza in continua della bobina mobile
induttiva	Avvolgimento della bobina mobile
elettromeccanica	dovuta al moto della bobina nel campo magnetico presente nel traferro (Zem = BLv).

Tutte e tre dipendono dalla frequenza e hanno carattere non-lineare. La soma di questi tre contributi è l’impedenza elettrica dell’altoparlante.

Figura: risposta in frequenza e impedenza di un woofer commerciale con diaframma in alluminio

La componente induttiva è responsabile di una buona parte della distorsione e va ridotta: a tal fine gli altoparlanti Opera utilizzano anelli di rame o di alluminio per cortocircuitare il campo magnetico contro le variazioni dell’induttanza e per stabilizzarne il flusso. La componente resistiva della bobina mobile regola il fattore di merito elettrico Qes e la sensibilità. L’altoparlante dinamico (woofer) è un dispositivo sensibile alla corrente: quando viene pilotato da un generatore di tensione (amplificatore) la corrente che lo attraversa produce la forza (F=Bli) che è soggetta ad almeno cinque cause di non-linearità:

causa	cura
la non linearità del campo magnetico B nel traferro	Usare la FEM per sagomare il traferro
la variazione di l (lunghezza del filo immerso nel campo B) che comporta la variazione di Le	Motore underhung
la variazione della posizione della bobina mobile rispetto al polo centrale che comporta la variazione di Le	Motore underhung
la variazione del flusso causato da Le che altera B	Anelli di stabilizzazione del flusso
la non linearità della corrente dovuta alla non linearità dell’impedenza della bobina	Rendere l’impedenza della bobina lineare (Motore underhung)

Quando l’altoparlante è pilotato da un generatore di corrente questa è indipendente dall’impedenza dell’altoparlante. In sostanza nel pilotaggio in corrente la non linearità dell’impedenza elettrica dell’altoparlante non può influenzare la corrente (imposta dal generatore) e la non linearità del moto dell’apparato mobile dipende solo da BL e dalla linearità dello spider e del rim. Se l’altoparlante ha un motore underhung e il rim è in gomma, rimane solo lo spider. Se si adotta un doppio spider in push-pull la distorsione viene ridotta ad un minimo. Detto questo sembrerebbe opportuno pilotare il woofer in corrente e, se i sistemi di altoparlanti fossero dei carichi puramente resisitivi, la cosa sarebbe possibile. Attualmente ciò è proponibile solo per i sistemi attivi (dove esistono interessanti soluzioni) o per sistemi appositamente progettati . Un generatore di corrente ideale è un dispositivo con impedenza interna infinita (o comunque molto maggiore del carico). Il generatore di tensione ideale, invece, è un dispositivo con impedenza interna nulla.

Un generatore reale, in funzione del rapporto tra la propria impedenza interna e quella del carico, è, di volta in volta, più simile ad un generatore di corrente o di tensione. 

In sostanza se il fattore di smorzamento è alto il generatore si comporta come un generatore di tensione, se è molto minore di uno si comporta come un generatore di corrente.

I normali amplificatori allo stato solido hanno fattore di smorzamento elevato e tendono al comportamento del generatore di tensione ideale.

Gli amplificatori a valvole possono presentare fattori di smorzamento nell’ordine di qualche unità. Gli amplificatori a valvole senza trasformatore di uscita (OTL) sono praticamente dei generatori di corrente.

Il pilotaggio ibrido è una via di mezzo tra il pilotaggio in corrente ed in tensione nel senso che è realizzato con un generatore che ha impedenza di uscita simile al carico (fattore di smorzamento tra 0.5 e 1). Il pilotaggio ibrido richiede che l'impedenza del woofer sia bassa tanto da richiedere una resistenza collegata in serie. Questa resistenza ne riduce la sensibilità (ma aumenta Qes) rendendo la corrente meno dipendente dalla impedenza del carico. La resistenza in serie ha anche l'effetto di abbattere il fattore di smorzamento (visto dal woofer) e le correnti generate per microfonicità che vanno dall’altoparlante all’uscita dell’amplificatore.

Figura: confronto tra tre diverse situazioni di pilotaggio: in tensione, in corrente ed ibrido. Si noti che, per R crescente, il pilotaggio ibrido tende al pilotaggio in corrente. Nel pilotaggio ibrido l’amplificatore vede un carico più lineare e con un componente resistiva maggiore e gode di condizioni di funzionamento migliori.

Aggiungere una resistenza in serie ad un woofer provoca l’incremento del fattore di merito (Qt) creando condizioni favorevoli per un carico in sospensione pneumatica. Infatti l’attenuazione causata dalla resistenza in serie al woofer è minima nell’intorno della frequenza di risonanza e massima nel range 100-150 Hz. In corrispondenza della frequenze di risonanza l’attenuazione è normalmente minore di un dB. Più che di una riduzione della sensibilità si può parlare di una equalizzazione della risposta. Allora perché non utilizzare direttamente un woofer con una resistenza Rcc più elevata?

I motivi sono più di uno: la prima è la maggior libertà lasciata al progettista che può aumentare l’ NDSP, ma anche condizioni  termiche più favorevoli, il minor numero di aperspire della bobina mobile (inutile spiegare perché…).

Il pilotaggio ibrido è stato adottato per i modelli Caruso (4 woofer TEB) Malibran (3 woofer in TEB) Opera Seconda (2 woofer TEB) Opera Quinta (2 woofer reflex) e Grand Callas 2006 (3 woofer TEB), Come si vede il pilotaggio ibrido si applica a situazioni tra loro molto diverse. Anche al Grand Callas 2014 utilizza un po’ di pilotaggio ibrido.

Con il pilotaggio ibrido il fattore di smorzamento, visto dal woofer, è prossimo all’unità. Questo consente di gestire il fattore di merito totale (Qt) in sede di progetto. Il sistema poi risulta meno sensibile rispetto alla resistenza dei cavi e alla resistenza interna dell'amplificatore. Ciò è particolarmente interessante con gli amplificatori a valvole.

Per concludere il pilotaggio ibrido è una soluzione controcorrente (nel senso che è implicitamente sconsigliata da ogni manuale di elettroacustica) ma non per questo priva di vantaggi come dimostrano i diffusori acustici dove è stata adottata. La perdita di sensibilità in gamma mediobassa ed il maggior costo delle realizzazioni (che richiedono l’uso di più woofer in parallelo) è ampiamente ripagato dalla migliore qualità di riproduzione delle basse frequenze anche grazie alla possibilità di realizzare la sospensione pneumatica.

Ricordiamo, per inciso, che la sospensione pneumatica presenta una attenuazione verso le basse frequenze (roll on) di 12 dB per ottava ovvero almeno 6 dB per ottava in meno rispetto ad un reflex del terzo ordine. Questo si traduce in un aumento di pressione prodotta a 20 Hz che va da 6 a oltre 12 dB accompagnato da un sostanziale miglioramento del controllo dello spostamento del diaframma del woofer sulla prima due ottava (da 16 a 64 hz). La sospensione pneumatica elimina alla radice i problemi collegati ai condotti o ai radiatori passivi. Per ultimo i sistemi a sospensione pneumatica sono più facili da posizionare in ambiente. L’unica vera limitazione è il costo (richiede al minimo d’impiego di 2 woofer o un certo sacrificio nella sensibilità).

Sospensione pneumatica e risposta ai transitori.

Un sistema lineare a fase minima con banda passate molto maggiore rispetto alla banda passante del segnale da riprodurre fornisce la migliore risposta impulsiva e riproduce in forma qualsiasi segnale (con le caratteristiche descritte).

La risposta peggiore di poco se si aggiunge un passa alto del primo ordine anche se la componente continua non sarà più presente all’uscita e questo implica almeno un attraversamento dello zero da parte della risposta alla delta di Dirac.

Aggiungendo un passa alto del secondo ordine ma con Qt<0.5 la risposta impulsiva presenta un singolo attraversamento dello zero.

Aumentando il Qt fino a 0.7 si ottiene, nella risposta, una oscillazione completa.

Aumentando Qt oltre 0.7 o aumentando l’ordine del filtro passa alto si va a peggiorare (a meno che i poli della funzione di trasferimento non siano tutti reali).

Ne segue che la risposta ai transitori di un woofer in sospensione pneumatica (con Qt <= 0.7) è la migliore che si possa ottenere. Questo dice la teoria e questo conferma la pratica. Per chi afferma il contrario…pazienza: è un problema tutto loro..

- il reflex, sotto Fb, si comporta come un dipolo e comunque la funzione di trasferimento del passa alto è di ordine superiore al secondo

- la linea di trasmissione emette due impulsi che giungono nel punto di ascolto in tempi diversi

- il dipolo aperto (su pannello) emette due impulsi che giungono nel punto di ascolto in tempi diversi

- la tromba emette più impulsi ritardati (riflessioni gola-bocca)

- …..

A rigore l’unico sistema che può aspirare ad una funzione di trasferimento a fase minima, è la cassa chiusa o sospensione pneumatica (nel campo diretto).

Le cose cambiano se il woofer è pilotato in corrente. In questo caso la risposta impulsiva è dominata dal Q meccanico che, in teoria, dovrebbe essere il più alto possibile ma, se lo è, determina una lunga serie di oscillazioni inficiando la Chiarezza. Quindi se il woofer è pilotato in corrente o si provvede a correggere la risposta con una equalizzazione, oppure si devono aumentare le perdite per diminuire il Qms (e quindi limitare sia lo slew rate meccanico).

“Tutto il resto è noia” (Franco Califano)

e, aggiungo, scassamento di maroni