Cabinet

Come Progettare il cabinet per un diffusore acustico.

di Mario Bon

22 gennaio 2014

Principio della “pelle del tamburo” Aumentando la tensione delle pareti, le frequenze delle risonanze aumenta. È lo stesso principio secondo cui tirando la pelle del tamburo la frequenza della fondamentale aumenta. Per implementarlo si deve porre un tirante tra due pareti opposte con una vite che, avvitandosi su due perni, avvicina le pareti. Questo è compatibile con la struttura del mobile che non sopporta espansioni. Aumentando la tensione diminuisce sia la possibilità di espandere che di comprimere il volume interno.

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Filosofie diverse per lo stesso problema

Sistema Matrix di B&W

Il materiale fonoassorbente, per essere efficiente, deve essere posizionato in corrispondenza dei massimi di velocità dell'aria quindi non sulle pareti (dove la velocità è nulla). Si rende quindi necessario un sistema per sostenere il materiale e impedire che si muova.

Il sistema Matrix di B&W è costituito da un reticolo tridimensionale quadrato. All’interno di ogni cella viene posto un cubo di materiale fonoassorbente. In questo modo la struttura viene utilizzata come rinforzo strutturale mentre l’assorbente risulta distribuito su tutto il volume.

Per ottenere lo stesso risultato basta inserire nel cabinet un foglio ripiegato di assorbente acrilico con il dovuto impaccamento. Questa seconda soluzione, seppur efficace, è molto meno apprezzabile dal punto di vista commerciale.

Il sistema Matrix di B&W è stato applicato alla B&W 800, cassa chiusa di grande volume dove un woofer con taglio a 350-400 Hz. C’era quindi il problema di abbattere non solo i modi normali ma anche le riflessioni interne.

Con i reflex non si può esagerare con l'assorbente per non soffocare completamente il flusso (nel reflex conta la velocità dell’aria). Il Matrix quindi è un buon sistema ma non va sempre bene.

Sistema Magico

Magico adotta una struttura in alluminio che frammenta il volume in tante piccole cavità che vengono poi smorzate con assorbente. Il pannello che regge gli altoparlante è costituito da due piastre di alluminio disaccoppiate. Magico punta quindi sul peso e sulla rigidità (anche esagerando). Anche Magico lavora con cassa chiusa. Il principio è analogo al Matrix di B&W

La struttura in alluminio è composta da 101 parti con oltre 380 punti di fissaggio	Struttura montata all’interno del mobile
Magico Q5: provata da Stereophile (ma senza le misure di vibrazione)

Magico Q5 Il frontale è fatto da due parti distinte . sulla prima sono fissati i woofer, sulla seconda il medio basso, il medio è flottante. Il tweeter è fissato alla prima (esterna e ricurva)

Tidal Struttura interna delle Tidal con i woofer in camere separate e volume frammentato in sottovolumi smorzati. Spessore delle pareti 50 mm Materiale MDF La frammentazione del volume interno genera inevitabilmente delle risonanze di cavità. Quindi tutti questi sub-volumi devono essere riempiti di assorbente. Anche Tidal sfrutta gli stessi principi di B&W e Magico. In questo caso il diffusore è accordato in reflex.

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Sonus Faber In particolare i modelli Fenice e Aida. Ci sono dei tiranti ma sono stati posti tra le due superfici che vibrano meno (top e base). C’è anche un pendolo antisismico (!). Il cabinet che ne risulta è molto pesante.
	Sonus Faber Aida Si vede la struttura interna con molti rinforzi in legno. Si capisce anche come sono fissati ai fianchi. (piccoli incastri che fanno da guida e probabilmente colla) Amati Homage: due forti risonanze a 150 e 300 Hz

Opera

I cabinet Opera si basano sulla ricostruzione degli elementi acustici ideali (cavità, tubo, ecc.).

Aumenta la frequenza dei modi normali ponendo i woofer in volumi separati (quando possibile).

Abbatte le riflessioni per mezzo di trappole acustiche.

Abbatte i modi normali applicando lo smorzamento nelle regioni di massimi velocità.

Eventualmente coibenta le pareti con antirombo (che sigilla il mobile)

L’assorbente utilizzato è il mappy per la stabilità e ripetibilità dell’impaccamento, la costanza dimensionale ed il forte potere assorbente. La porosità del materiale impiegato è maggiore del 95%.

Si applica il principio di “non coincidenza”: i modi normali devono trovarsi a frequenze più alte della frequenza di taglio dei woofer.

Il peso del cabinet deve essere 900-1000 volte maggiore della massa mobile dei woofer. Per due woofer 22w (massa totale 88 gr.) il peso del mobile deve essere minimo 80 Kg.

La forma del cabinet ha due aspetti:

- la forma esterna (diffrazione, effetto tromba, dispersione, impedenza di radiazione)

- la forma interna (modi normali del volume, risonanze, riflessioni, perdite, vortici e turbolenze)

- l’aspetto strutturale (peso, rigidità, modi normali della struttura)

I criteri che portano a definire la forma migliore sono:

- minimizzazione della diffrazione ai bordi

- minimizzazione della distanza di emissione dei centri acustici degli altoparlanti

- ottimizzazione della dispersione sul piano verticale ed orizzontale

- l’impedenza di radiazione del tweeter (che dipende dalla vicinanza del medio).

Lo scopo è evitare di degradare le prestazioni dell’ altoparlante utilizzato.

Tutti i criteri sono contemporaneamente soddisfatti solo dalla forma sferica o ovoidale (uovo della Focal in gesso). Le qualità della forma sferica sono sfruttate appieno solo con l’uso di altoparlanti coassiali montati su volumi ridotti. La sfera, dal punto di vista estetico, appare abbastanza invasiva e deve comunque essere sorretta da un piedistallo per elevarla all’altezza dell’orecchio. Nel caso della sfera la diffrazione è minima. Senza contare il problemi di realizzazione, imballaggio e trasporto. La forma sferica avrebbe anche un altro vantaggio: è la forma che racchiude il maggiore volume con la minima superficie quindi, intrinsecamente, è la forma che minimizza le perdite per conduzione sulla superficie interna del cabinet. Le onde stazionarie si formano anche all’interno della sfera (e sono molto forti a causa della elevata simmetria).

Il diffusore parallelepipedo da stand (fino a 20 litri) non presenta particolari problemi: le risonanze interne sono a frequenza abbastanza alte da essere controllate con il MappySil Piramidale. I diffusori più problematici sono quelli da pavimento (tubi chiusi) perché l’onda stazionaria che si forma lungo la dimensione maggiore non è facile da abbattere senza aumentare le perdite. La soluzione è la suddivisione in volumi separati per ogni woofer.

Volumi di sfere di raggio crescente (4/3)p r³ = 4.188 r³

diametro della sfera	volume della sfera
15x2 cm = 30 cm	14.1 litri
20x2 cm = 40 cm	33.5 litri
25 x2 cm = 50 cm	65 litri
30 x2 cm = 60 cm	113 litri

onda stazionaria lungo una circonferenza

Le forme più adatte per i diffusori acustici secondo Olson

I bordi devono essere arrotondati.

Simulazione della forma d’onda che si propaga attorno dal cabinet simulata con FEM (Satoh) all’aumentare della distanza la forma del fronte d’onda diventa più regolare. Ma quello che conta è il contributo della sorgente secondaria che arriva nel punto di ascolto. Il problema della diffrazione ai bordi è riconducibile alla discontinuità dell’impedenza acustica. Riducendo il gradiente dell’impedenza si riduce anche la diffrazione -> bordi arrotondati. Il pannello deve essere il più stretto possibile.

Modello di cabinet consigliato dalla norma IEC per le misure di risposta in frequenza. E’ una delle forme indicate da Olson.

a sinistra: montaggio non corretto ed effetto della tromba cilindrica davanti all’altoparlante. La stessa cosa succede se la tromba cilindrica sta dietro al diaframma. A destra il montaggio secondo la norma IEC. Notare l’angolo di 30°.

Disposizione dell’assorbente secondo Beranek ed impedenza del carico visto dall’altoparlante.

Modi di disposizione del Mappy piramidale all’interno di una cassa chiusa. Il primo modo è quello suggerito da Beranek. Il secondo è più pratico . L’assorbente poroso va posto nei punti di massima velocità dell’aria quindi al centro del volume e lontano dai tubi di accordo. In questo caso la disposizione suggerita da Beranek è migliore ma poco pratica. L’assorbente sulle pareti ha effetto solo da circa 250-500 Hz in su quindi al massimo è efficace nei sistemi a due vie.

Allineamento in fase

L’allineamento in fase deve essere ottenuto inclinando il pannello frontale oppure operando sui ritardi introdotti dal filtro cross-over. NON si devono disporre gli altoparlanti su piani sfalsati perché questo produce diffrazione. Già la presenza del woofer causa una variazione importante della impedenza di radiazione del tweeter (e anche riflessioni nocive sulle ogive). La direzione dell’asse privilegiato viene regolata con il tilt

Camera Unica (anche senza rinforzi)

Il cabinet a camera singola è adatta per diffusori relativamente piccoli anche accordati ma con il primo modo distante dalla frequenza di accordo (diciamo 2 ottave). Per box da pavimento si devono fare delle scelte.

L’assorbente acrilico è stato posizionato dietro agli altoparlanti in modo da abbattere la riflessione in gamma media e per occupare contemporaneamente metà dell’altezza del cabinet. Questa soluzione è stata adottata con successo per la Grand Mezza del 2006-2007 (sistema a due vie e mezza con 2 woofer da 5” in quasi parallelo). Nella curva di impedenza non si notano irregolarità di alcun genere. All’ascolto non si notano code o aloni. L’assorbente viene così a trovarsi nella regione di massima velocità del modo fondamentale producendo l’effetto massimo. E’ importante che l’assorbente occupi metà dell’altezza, meno importante che stia esattamente al centro.

Le due camere accordate:

Nel caso delle due camere accordate in corrispondenza della risonanza, determinata al condotto interno, ci sarà un picco nella emissione del condotto ed un dip nella risposta. Il dip non è udibile, il picco dal condotto potrebbe esserlo. Questi si possono attenuare inserendo delle perdite nel condotto interno. I volume interno è smorzato solo nella parte superiore. Se il cabinet è alto un metro il primo modo normale cade a circa a 170 Hz. Dividendo l’altezza in due il modo si sposta a 340 Hz. Quindi la camera interna deve apparire aperta a 40-50 Hz (accordo del reflex) e chiusa a 340 Hz, Questo si ottiene posizionando la risonanza del tubo interno tra 80 e 130 Hz (per restare lontani da 170Hz ed evitare coincidenze). Le due camere devono avere lo stesso volume. Il condotto interno genera turbolenze come tutti i condotti. Il materiale assorbente in prossimità del foro aumenta la massa di radiazione, riduce la velocità dell’aria e abbassa la risonanza. Il diametro dei due condotti deve, al minimo, essere uguale. Meglio se il condotto interno è più grande.

Camere separate

La soluzione migliore da adottare quando ci sono più woofer è quella di separarli in volumi indipendenti ciascuno dotato del proprio condotto reflex. Questa soluzione è stata adottata con successo nei modelli Tebaldi, Caruso, Malibran e Seconda (versione del 2006). In questi diffusori la curva di impedenza è perfetta e non si sentono code di nessun genere. La risposta impulsiva misurata è molto buona.

La Seconda e Quinda del 2011 non hanno camere separate ma il volume di 40 litri non produce modi troppo intensi e l’assorbente impiegato (Mappy) è sufficiente a controllari. Nessuna coda udibile.

La sezione

Principio della trappola acustica La sezione del mobile deve essere trapezioidale e allargarsi a partire dall’altoparlante. In questo modo le riflessioni sulle pareti laterali si indirizzano verso la trappola acustica costituita dal Mappy. In questo caso non serve mettere assorbenti sulle pareti laterali. Il sistema è efficace e richiede meno assorbente e meno lavoro di posa. Contemporaneamente l’assorbente resta lontano del diaframma e le perdite nel volume sono contenute. Allo stesso tempo la dimensione del pannello frontale si riduce ed è più facile arrotondare gli spigoli. Il magnete dovrebbe essere rivestito con un cappuccio fonoassorbente.

Il cabinet migliore in assoluto….

La figura a sinistra mostra il modo migliore per ottenere: - sensibilità e impedenza - peso e rigidità del cabinet - basse perdite del reflex - modi normali traslati in alta frequenza - abbattimento delle riflessioni in gamma media Il primo modo delle camere dei woofer deve cadere oltre alla frequenza di cross-over tra medio e woofer. La camera del medio deve essere riempita con due o tre strati di Mappy (trappola acustica). Le camere dei woofer possono anche non contenere assorbente. Si noti che il setto di separazione tra le camere dei woofer è soggetto alla stessa pressione sui due lati e quindi non si muove. Per questo motivo è opportuno che le due camere siano simmetriche rispetto al setto di separazione. Per migliorare ulteriormente utilizzare tubi piegati a 90°.

Considerata una altezza del box di un metro, una camera risulta alta al massimo 50 centimetri con il primo modo a 344 Hz. Quindi qualsiasi sistema a tre vie con taglio a 200Hz funziona perfettamente. Aggiungendo una quantità decente di assorbente si può alzare il taglio anche a 300 Hz.

Il Mappysil, aumentando la frequenza, diventa più efficiente: a 350 Hz il coefficiente di assorbimento supera il 70%.

Coefficiente di assorbimento del Mappysil piramidale eccitato a sparo e con altoparlante.

10% (88Hz) 40%(176Hz) 50% (250Hz) 70% (350Hz) 90% (500Hz in su)

Sotto 88 Hz (dove cade l’accordo reflex) l’assorbimento è inferiore al 10%.

176 Hz corrisponde al primo modo di un box da pavimento alto circa un metro.

assorbimento a 176 (40%) e a 353 Hz (70%) Con il 70% di assorbimento dopo 4 riflessioni SPL si è ridotto di oltre 40 dB (5 milliscondi su una distanza di 50 cm).