Diffusori acustici e Strumenti di Misura: la vista

Visual inspection

di Mario Bon

2 gennaio 2013, 8 giugno 2017

La prima analisi di qualsiasi dispositivo si esegue per “visual inspection”. In sostanza bisogna guardarlo ma detto così è banale: il temine inglese è molto più professionale. La traduzione letterale di “visual inspection” è “ispezione visiva” o “osservazione”. L’osservazione è la prima fase del metodo scientifico che si articola in tre momenti: osservazione, ragionamento, esperimento (poi si ricomincia osservando il risultato dell’esperimento ecc. ecc.).

La “visual inspection”

Guardando un diffusore acustico le prime cose che saltano agli occhi sono la forma e le dimensioni del mobile, il tipo, il numero e la disposizione degli altoparlanti. La tecnologia consente di realizzare ottimi altoparlanti dinamici, elettrostatici, a nastro, ecc. . L’unico tipo di altoparlante che si può considerare obsoleto è il tweeter con cono in carta.

Tra le prime cose che si osservano è il tipo di carico della parte bassa (dipolo, cassa chiusa, reflex, linea di trasmissione). Più difficile riconoscere un radiatore passivo (che esternamente è identico ad un woofer) o un sistema reflex con attivo soppresso e i cosiddetti sistemi isobarici (perché dall’esterno è difficile intuire la struttura interna del cabinet).

Osservando il diffusore si riconosce il modello di spazialità (omnidirezionale, radiazione diretta con sorgente ausiliaria, dipolo, radiazione diretta e direttivo).

Gli aspetti rilevanti della forma del mobile, per un diffusore a radiazione diretta multivia, sono la larghezza del pannello frontale e, per i sistemi da pavimento, l’altezza da terra del tweeter. La scelta di un pannello frontale più o meno largo determina la minima distanza del punto di ascolto e, in una certa misura, la quantità di riflessioni laterali. Va ricordato che un altoparlante montato su un pannello stretto presenta un angolo di dispersione orizzontale minore quindi emette meno energia verso le pareti laterali. Con il punto di ascolto a oltre tre metri la larghezza del pannello è meno influente. Con il punto di ascolto ravvicinato (due metri o meno) è preferibile un pannello frontale stretto (20 centimetri o meno.).

Di norma il tweeter è posto tra 80 e 100 centimetri di altezza da terra in modo da allinearsi con le orecchie di un ascoltatore seduto (poche le eccezioni). Se il tweeter è troppo basso è possibile orientare l’asse di propagazione inclinando il diffusore all’indietro (tilt) se è troppo alto si spera che il progettista ne abbia tenuto conto. L’altezza a cui si forma l’immagine virtuale del canale centrale non dipende solo dall’altezza dei tweeter. Va ricordato che il programma musicale stereofonico non contiene alcuna informazione relativa all’altezza della sorgente e questa viene ricostruita arbitrariamente dal diffusore acustico.

Il volume del mobile non è un indicatore univoco delle prestazioni di un diffusore acustico: oggi è possibile ottenere una risposta sufficientemente estesa con volumi contenuti e, vista anche la disponibilità di amplificatori sempre più potenti, la tendenza è quella di ridurre lo spazio occupato dai diffusori (anche a scapito della sensibilità).

E’ comunque certo che un diffusore “piccolo” non potrà essere contemporaneamente efficiente ed esteso verso le basse frequenze.

Il tipo di carico più utilizzato per il woofer è il bass reflex sia perché richiesto dal pubblico (statisticamente il diffusore preferito è un tre vie in bass-reflex) sia perché la stragrande maggioranza degli altoparlanti attuali in commercio è pensata per il reflex. Come è noto il condotto di accordo reflex, se mal dimensionato, provoca rumori e distorsione (Box 1).

Box 1: Il condotto reflex

Nei sistemi reflex il condotto di accordo è una potenziale fonte di turbolenza, rumore e distorsione. La prima cosa da osservare è la posizione del condotto: se è sul pannello posteriore del diffusore gli eventuali rumori emessi saranno meno udibili. Ma il fattore fondamentale è il rapporto tra la superficie di radiazione del woofer e la sezione del condotto. Thiele, Small e altri hanno proposto delle relazioni per calcolare la sezione ottimale del condotto. Nella pratica tale la sezione dovrebbe essere pari a circa un quarto della superficie radiante dell’altoparlante (SD). L’estremità del tubo può essere flangiata o tronca. L’estremità tronca innesca le turbolenze in modo brusco a partire daI una certa velocità dell’aria in su ma sotto tale limite non si rileva nulla. Con il tubo flangiato la turbolenza si innesca a velocità inferiori e cresce al crescere della velocità dell’aria. Flangiato o tronco che sia quello che conta è la superficie: i tubi troppo piccoli soffiano.

Le principali alternative al reflex sono il reflex con radiatore passivo e la cassa chiusa. La cassa chiusa (o sospensione pneumatica o TEB) è il sistema strutturalmente più semplice e con meno problemi: si interfaccia più facilmente con l’ambiente e con l’amplificatore, consente una risposta più estesa e ben controllata in gamma bassa ma è meno sensibile del reflex nell’intorno della risonanza. La predilezione di alcuni verso questo sistema non è ingiustificata anche se qualsiasi sistema, realizzato a regola d’arte, fornisce una adeguata risposta alle frequenze basse e non si dovrebbero avere preconcetti in questo senso.

Per quanto riguarda la disposizione degli altoparlanti sul pannello frontale del diffusore, negli anni ’80 e ’90 i diffusori mostravano una certa varietà. Oggi la situazione si è stabilizzata sulla disposizione “a colonna verticale”. Le varianti riguardano la posizione del medio rispetto al tweeter (tweeter sopra, tweeter sotto, tweeter tra due medi, ecc.).

Non è strettamente necessario che gli altoparlanti rispettino una particolare geometria sul pannello frontale ma è essenziale che la coppia di diffusori sia speculare. Una coppia di diffusori non speculari può suonare gradevolmente ma gli stessi altoparlanti, disposti specularmene, ricostruiscono una immagine più stabile e precisa. Va detto che c’è chi la pensa diversamente.

Secondo chi scrive, la specularità della disposizione degli altoparlanti è una condizione necessaria per la corretta riproduzione della Spazialità (box 2).

Box 2: Speculari e non speculari
	Il canale centrale spostato a sinistra	Coppia non speculare: maggiore quantità di prime riflessioni verso la parete di destra. Il canale centrale, riprodotto dal tweeter, è spostato a sinistra mentre il woofer lo riproduce al centro.
	Canale centrale al centro	Coppia Speculare: minime riflessioni laterali (uguali a destra e sinistra). L’immagine tende ad essere confinata tra i due diffusori.
		Coppia Speculare: massime riflessioni laterali (uguali a destra e sinistra). L’immagine tende ad espandersi in orizzontale.
		Coppia Speculare simmetrica: diffusore destro e sinistro sono intercambiabili. Per modulare le riflessioni laterali si ruotano i diffusori verso il punto di ascolto (trim).

Altra cosa da osservare è la finitura della superficie e dei bordi del pannello frontale.

I diffusori acustici di un tempo avevano il pannello frontale arretrato rispetto al bordo del mobile per consentire di montare la griglia di protezione a filo del mobile. I diffusori per PA sono ancora fatti così perché il bordo sporgente protegge gli altoparlanti.

Un bordo da un 1 centimetro rappresenta un ostacolo ben “visibile” a partire da 4000 Hz e il suo effetto è presente nella risposta impulsiva e nella risposta in frequenza a partire da frequenze ancor più basse (Box 3). I diffusori moderni hanno i bordi del pannello frontale sagomati, smussati e arrotondati per ridurre la “diffrazione ai bordi”. Gli altoparlanti vanno montati a filo del pannello frontale: qualsiasi “spessore” che arretri l’altoparlante rispetto al pannello costituisce una tromba (conica, cilindrica, ecc.) con effetti sulla risposta in frequenza che devono essere valutati (anche in funzione della frequenza di cross-over) (box 4).

Box 3 : Diffrazione ai bordi

I bordi del pannello frontale si comportano come sorgenti secondarie. Il suono, quando incontra uno spigolo, si riflette a causa della brusca variazione di impedenza di radiazione (da mezzo spazio a spazio intero). Allontanando il punto di ascolto la frequenza a cui avviene l’interferenza cambia. Arrotondando lo spigolo il fenomeno non scompare ma si distribuisce su un intervallo di frequenza più largo con effetti meno vistosi. La diffrazione ai bordi può essere ridotta ma non eliminata a meno di montare gli altoparlanti direttamente a filo del muro.

Box 4: Effetti del montaggio del woofer
	A = altoparlante montato all’interno del pannello. B = altoparlante montato a filo del pannello La risposta in frequenza mostra le alterazioni causate dal montaggio dell’altoparlante.. H. F. Olson Acoustical Engeneering – 1957 -pag 170

A volte si incontrano diffusori con gli altoparlanti disposti su piani sfalsati allo scopo di ottimizzare la risposta impulsiva compensando i ritardi di fase (box 5). Resta da chiarire se la diffrazione ai bordi, prodotta da un pannello “scalettato”, sia preferibile ad un, eventuale, salto di fase limitato alla zona di cross-over. C’è da dire che la risposta in fase può essere regolata con opportune reti (all-pass) inserite nel filtro cross-over (come nella Dynaudio 220) mentre la diffrazione ai bordi non può essere eliminata. Ne segue che è preferibile un pannello frontale piano (anche inclinato) e un filtro cross-over che tenga conto anche della risposta in fase (cosa possibile come dimostrato in box 6).

Box 5 : Allineamento in fase

Nel caso A gli altoparlanti sono allineati in fase ma la discontinuità del pannello anteriore causa diffrazione ai bordi. Nel caso B non c’è diffrazione e il ritardo di fase può essere corretto dal filtro cross-over passivo o elettronicamente (box 6). Qualsiasi ostacolo, posto sul pannello frontale del diffusore, è causa di diffrazione (anche le mascherine di protezione). (da un articolo di Gandolfi, SUONO - 1976)

Box 6

Incrocio woofer-tweeter in un diffusore acustico a due vie proposto in Kit da Seas (www.seas.no), La risposta in rosso è ripresa con gli altoparlanti in fase e in nero con gli altoparlanti in controfase. La profondità del “buco” ottenuto con gli altoparlanti in controfase indica una differenza di fase tra i due altoparlanti prossima a 180° (causata dall’inversione di fase). Quindi l’emissione dei due altoparlanti all’incrocio è effettivamente in fase. Si noti l’incrocio delle risposte acustiche di woofer e tweeter a –6 dB (0.5+0.5=1). Questo è un ottimo incrocio e dimostra che si può ottenere una corretta risposta in fase anche montando gli altoparlanti su un pannello piano.

Sul retro del diffusore ci sono i connettori (una o più coppie) per collegare il diffusore all’amplificatore. Se il diffusore è predisposto per la bi o tri amplificazione tanto meglio. La cosa importante è che i connettori siano adatti per accettare cavi con diversi tipi di terminazione (banana da 4 mm, forcella e cavo non terminato) e garantiscano un contatto elettrico meccanicamente stabile. I contatti placcati in oro, rodio, adamantio e metallo krell non si ossidano e sono da preferire. La cosa migliore è utilizzare cavo spellato eliminando ogni tipo di banana o forcella con relative saldature e/o crimpature.

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Occhio non vede ma l’orecchio ci sente.

Il cross-over, tranne rare eccezioni, è chiuso dentro al mobile ed è raggiungibile solo smontando il diffusore. Qui entrano in gioco le riviste specializzate che smontano i diffusori mostrandoci interessanti particolari costruttivi interni. Il cross-over è un dispositivo tecnologicamente semplice realizzato con componenti passivi: resistori, condensatori e induttanze (raramente autotrasformatori). Questi possono essere montati su circuito stampato o cablati in hard-wiring (incollati su una basetta di legno o faesite e saldati direttamente uno all’altro).

Dati gli altoparlanti, le qualità primarie (o monodimensionali) del suono diretto prodotto dal diffusore dipendono completamente dal cross-over: in primis il Calore (bilanciamento tonale) ma anche la Fatica da Ascolto (distorsione) e la Chiarezza (risposta ai transitori e mutua induzione tra le bobine delle sezioni passa alto e passa basso). La scelta delle frequenze di taglio influisce sulla distorsione mentre la pendenza dei filtri ha un effetto sulla Spazialità (in particolare le riflessioni laterali in corrispondenza alle ottave centrate a 400-500 Hz e 2000-4000Hz).

L’ aspetto più importante, che si “vede” nel cross-over (perché si legge sui componenti) è la tolleranza dei componenti. La tolleranza è anche più importante della qualità intrinseca dei componenti. Per farla breve tra due cross-over, uno realizzato con condensatori MKT al 2% e uno realizzato con condensatori prodotti a mano da vergini tailandesi nelle notti di plenilunio, ma con tolleranza al 10%, chi scrive sceglie decisamente il primo. Infatti il grado di identità dei diffusori destro e sinistro determina la localizzazione e la stabilità del canale centrale e di tutte le sorgenti virtuali (e quindi la Spazialità). Le tolleranze dei componenti del filtro si traducono in differenze di risposta in frequenza tra i due diffusori che si sommano alle tolleranze di risposta dei singoli altoparlanti (oltre che delle elettroniche a monte). Maggiore è il numero di componenti che compongono il cross-over e tanto minore deve essere la loro tolleranza. I cross-over migliori sono realizzati con componenti selezionati e accoppiati a mano (misurati uno per uno e accoppiati con tolleranza inferiore all’1%).

Le induttanze possono essere avvolte in aria, su ferrite o su lamierini. Quelle autocementate avvolte in aria (senza nuclei) sono decisamente migliori e presentano tolleranza molto basse (anche meno dell’1%). Le induttanze con ferrite hanno tolleranza maggiore e la ferrite è soggetta a saturazione. La qualità delle ferriti è fondamentale ma, per “visual inspection”, possiamo solo valutare il loro diametro (che dovrebbe essere almeno superiore a 12 mm.) e il colore (quelle nere sono ferriti “per antenne” e saturano facilmente).

I condensatori sono disponibili con tolleranze dal 2 al 20%. Il valore di tolleranza è stampigliato sui componenti e basta leggerlo: più è basso e meglio è. Se non c’è scritto nulla si tratta di componenti “standard” (resistori al 10% e condensatori al 20%). I condensatori dovrebbero essere di tipo plastico (MKT o MKP) a bassa tolleranza ed elevato isolamento (minimo 100 Volt ). I condensatori migliori (MKP ad alto isolamento) sono anche parecchio ingombranti. Per valori a partire da 47 microFarad in su, vengono impiegati anche condensatori elettrolitici bipolarizzati.

Per quanto riguarda i resistori, a occhio nudo, si vede abbastanza poco. Il resistore si presenta come un “scatoletta” di solito di colore bianco con stampigliati il valore in Ohm e la potenza sopportata e (non sempre) la tolleranza. A volte al posto di un unico resistore c’è un “grappolo” di resistori MOX in parallelo (per esempio 10 resistori da 22 ohm in parallelo per ottenere 2.2 ohm). I resistori MOX sono decisamente la miglior scelta.

La disposizione dei componenti sulla basetta del cross-over ha la sua importanza: in particolare le induttanze devono essere fisicamente lontane le une dalle altre e disposte con gli assi mutuamente ortogonali per ridurre al minimo i fenomeni di autoinduzione (cross talk tra le vie). Alcuni diffusori hanno il cross-over distribuito su più basette disposte lontane le une dalle altre. Questo serve ad almeno due scopi: riduce il cross-talk tra le vie e, riducendo il numero di induttanze per basetta, consente di montarle in modo che risultino mutuamente ortogonali (riducendo l’autoinduzione).

Anche gli altoparlanti non sono perfettamente identici gli uni agli altri e ammettono delle tolleranze: quelli con diaframmi ottenuti da lavorazioni automatizzate (diaframma in metallo, polimeri e materiali compositi) offrono maggiori garanzie rispetto ai diaframmi trattati “a mano”. Le tolleranze devono essere particolarmente contenute nella gamma vocale.

All’interno del cabinet, in particolare per un midrange o un mid-woofer, deve essere presente del materiale fonoassorbente per sopprimere le riflessioni interne ed evitare il mascheramento che queste comportano (Chiarezza in gamma media) . Ultimamente si sono visti diffusori a tre vie dove il medio non disponeva di una propria camera separata da quella del woofer: questa soluzione consente di risparmiare sulla realizzazione del mobile ma difficilmente avrà effetti positivi sul funzionamento del midrange.

Poi va verificato lo spessore delle pareti del cabinet (almeno 20-25 mm se si tratta di MDF, il doppio se si tratta di massello) e, se lo spessore del pannello frontale e consistente è bene verificare che la parte posteriore sia stata lavorata e fresata per evitare la generazione di turbolenze da parte degli altoparlanti.

Opera Quinta 2011 Fresature sulla parte interna del foro di alloggiamento di un woofer. Il pannello frontale in MDF è spesso 50 mm. Si vede anche il rinforzo interno al mobile ampiamente scavato.

A seconda delle dimensioni e della struttura, possono essere presenti dei rinforzi che collegano tra loro le pareti opposte (bracing). I faston sono preferibili alle saldature. Tra l’altro non tutti gli altoparlanti possono essere saldati (per esempio quando i terminali sono annegati nella plastica).

L’estetica: anche l’occhio vuole la sua parte

Il diffusore acustico è anche un oggetto di arredamento e l’estetica è importante.

E’ dimostrato che un diffusore acustico “brutto” non viene acquistato anche se suona molto bene.

Al contrario il fattore estetico può determinare la scelta di un diffusore anche se non suona in modo perfetto.

Chi richiede una certa estetica e un certo livello di finiture ne deve accettare i costi.

Quello che non è accettabile è che l’estetica interferisca con l’aspetto tecnico ovvero che si operino scelte estetiche non funzionali o che pregiudicano le prestazioni tecniche. Una parola a parte per le mascherine di protezione montate davanti agli altoparlanti: la loro funzione è protettiva: nel 99% dei casi (ovvero quando non esplicitamente negato) vanno tolte durante l’ascolto della musica perché producono una diffrazione ai bordi particolarmente fastidiosa.

Ricerca guasti e “visual inspection”

Osservando un diffusore si possono anche individuare eventuali difetti quali: cupole o diaframmi danneggiati, connettori da pulire, viti non serrate correttamente, danni al cabinet. Inutile dire che i connettori e le terminazioni dei cavi devono essere sempre in ordine, serrate e ben pulite.

Se il diaframma del woofer è danneggiato (per esempio se è strisciato ma non forato o tagliato) probabilmente questo non ne cambierà le prestazioni.

Diverso il discorso se si tratta del midrange. Le cupole in metallo dei tweeter sono molto delicate e, se sono danneggiate o schiacciate, devono essere sostituite. Per una cupola in seta di solito basta riportarla alla forma originale.

Se un altoparlante ha il bordo esterno in foam è bene controllarne la consistenza (il foam dereticolarizza dapo circa 10 anno e si polverizza) in questo caso il woofer può essere “riconato”. Le parti di ricambio si trovano anche in internet ma la cosa migliore è rivolgersi al servizio assistenza.

Conclusioni

Con la scusa della “visual inspection” abbiamo parlato di quello che si vede e di quello che non si vede fuori e dentro un diffusore acustico. Evidentemente non basta guardare un diffusore per capire come suona anche se alcuni dettagli, come la specularità della disposizione degli altoparlanti, è essenziale. Alcune caratteristiche costruttive hanno un sicuro effetto sulla qualità sonora: tra queste la già citata specularità, l’assenza di ostacoli sul pannello frontale, tutti gli accorgimenti atti a ridurre la diffrazione ai bordi, la dimensione del pannello frontale. Per quanto riguarda il cross-over il maggior impatto sulla spazialità dipende dalla differenza tra il diffusore destro e sinistro e quindi dalla tolleranza dei componenti. Per ultimo una riflessione: il box 6 riporta una figura tratta da un libro del 1957, il box 5 è tratto da in numero di SUONO del 1976: la diffrazione ai bordi, la risposta in fase e il montaggio degli altoparlanti sono argomenti noti e trattati da decine di anni ed è inaccettabile che un moderno progetto non ne tenga debito conto. L’importanza delle riflessioni laterali è stata studiata con attenzione fin dal 1962 e già da venti anni certe conoscenze sono state “riversate” nel campo HiFi soprattutto per merito di F.E. Toole.

[a] “Spatrial Impression Due to Early Lateral Reflections in Concert Halls: The Derivation of a Physical Measure,” M. Barron and A. H. Marshall, J. Sound Vib., vol. 77, pp. 211–232 (1981).

[b] “Loudspeakers and Rooms for Multichannel Audio Reproduction” by Floyd E. Toole, 31 January, 2002

[c] “The Detection of Reflections in Typical Rooms” S.E. Olive e F.E. Toole - J.AudioEng.Soc., Vol.37, No.7/8, 1989 July/August

[d] D. Griesinger, “Spatial Perception of Distance, Azimuth, and Envelopment when the Direct to Reverberant ratio (D/R) Is below −6 dB,” in Proc. 19th Int. Congr on Acoustics (Madrid, Spain, 2007 Sept. 3), paper 13-001.

[e] “Concert Hall Acoustics—2008” L. L. Beranek - J. Audio Eng. Soc., Vol. 56, No. 7/8, 2008 July/August