Spostamento dell’apparato mobile per tensione continua.

2 giugno 2017

MB

L’altoparlante dinamico a bobina mobile è un dispositivo sensibile alla corrente… anche alla corrente continua. Questo significa che, se all’uscita dell’amplificatore è presente una tensione continua, questa farà circolare nella bobina mobile una corrente continua che provocherà lo spostamento della bobina stessa. Questo avviene quando non siano presenti condensatori in serie al segnale. Questo spostamento allontana la bobina mobile dal punto di equilibrio, introduce una asimmetria, riduce l’ampiezza dello spostamento lineare e introduce distorsione di armonica pari.

Vale la pena calcolare l’entità di questo spostamento per valutarne gli effetti.

La situazione è più critica con gli altoparlanti che hanno uno spostamento Xmax limitato. Lo spostamento lineare massimo per un tweeter per HiFi è nell’ordine dei decimi di millimetro. Si va da 1 a 2.5 decimi di millimetro (da 2 a 5 mm picco-picco). Pochi tweeter al mondo superano i 4 decimi di spostamento lineare di picco anche se almeno uno raggiunge 1.2 mm picco-picco.

Per calcolare lo spostamento si possono utilizzare le numerose espressioni che si trovano in letteratura. Per esempio:

Applicare le “formule” in modo “passivo” non è mai una buona idea. In questo caso, fortunatamente, la situazione è abbastanza semplice. Tanto per cominciare tutti i fenomeni che dipendono dalla frequenza non sono presenti (per esempio l’induttanza della bobina mobile). Partiamo dal modello meccanico più semplice che possiamo immaginare per un altoparlante dove sono presenti solo tre elementi:

Mms = massa Kms = elasticità = 1/Cms (vds Legge di Hooke F=-Kx) Bli = Forza esterna x = spostamento

La massa è soggetta solo alla forza esterna Bli. Il peso della massa è compensato dalla reazione vincolare (spider e rim: le sospensioni). All’equilibrio la velocità è nulla quindi lo smorzamento non interessa, l’accelerazione è nulla quindi anche l’inerzia è nulla. Rimangono solo la forza elastica e la forza esterna che devono risultare in equilibrio per cui:

Bli - Kms x = 0 (condizione di equilibrio)

Ne segue che x = Bli/Kms = Bli Cms (1)

Considerato che la corrente i è pari alla tensione diviso la resistenza (della bobina mobile + resistenza interna dell’amplificatore) otteniamo l’espressione (*) riportata nel riquadro precedente.

Facciamo un esempio: prendiamo un tweeter da un pollice con Bl=3.5, massa di 0.45 grammi , Re=6 Ohm e frequenza di risonanza di 500 Hz. CMS si ricana note la massa e la frequenza di risonanza.

A conti fatti lo spostamento vale 0.1314 decimi di millimetro per ogni Volt di tensione continua applicata ai morsetti.

Con 100 milliVolt la spostamento vale 0.013 decimi di millimetro che potrebbe essere il 10% del massimo spostamento ammesso. Per eseguire questo calcolo basta conoscere Bl, f0, Mms e Re. Questi parametri vengono normalmente specificati anche per i tweeter. Ricordiamo che gli altoparlanti per i quali non siano noti i parametri e le informazioni necessarie per il loro impiego non devono essere utilizzati.

Teorema:

La qualità di un dispositivo è direttamente proporzionale al numero di specifiche fornite dal produttore.

Infatti i produttori pubblicizzano le qualità mentre tendono a tacere i difetti.

Ne segue che l’offeset in continua, all’uscita di un amplificatore che pilota un tweeter, è opportuno sia limitato alle decine di millivolt. Nei sistemi passivi il problema si pone solo per il woofer perché medi e tweeter sono dotati di filtri passa alto che, normalmente, prevedono un condensatore sul percorso del segnale. Fanno eccezione i filtri tipo serie del primo ordine – molto rari - e i filtri induttivi, ancora più rari). Il problema è concreto nei sistemi multiamplificati. Per non correre rischi, specie con amplificatori economici, basta porre in serie al tweeter un condensatore di valore sufficientemente alto in modo da non alterare il fattore di smorzamento dell’amplificatore alla frequenza di risonanza del tweeter (o una parte dei vantaggi di una multiaplificazione vengono perduti). Pensare di proteggere il tweeter ponendovi una induttanza in parallelo significa mettere in cortocircuito l’uscita dell’amplificatore alle alte frequenze senza peraltro limitare la tensione ai capi del tweeter stesso. Se l’induttanza presenta 0.1 ohm di resistenza in continua, con 100mV di offset in uscita costringerà l’amplificatore ad erogare un Ampere di corrente. Di questo Ampere la maggior parte attraverserà l’induttanza ma una parte circolerà comunque nel tweeter. Non si tratta quindi di una vera protezione per il tweeter ma di problema reale per l’amplificatore.

Le cose vanno diversamente se l’altoprlante viene pilotato da un generatore di corrente.

Lo spostamento di un Woofer

In serie ad un woofer si cerca di non mettere un condensatore per due motivi:

- il valore richiesto è alto (da 470 uF a 1000 uF)

- ai capi del condensatore cade una tensione notevole ed è richiesto un condensatore di buona qualità (costoso)

Come sempre esistono le accezioni. Gli amplificatori HiFi presentano offset in uscita sufficientemente ridotti.

Facciamo un esempio: consideriamo un woofer per HiFi (Seas CA26RFX) con:

F0=29 Hz

BL=10.7

Re=6.3 ohm

Mms=39.6 gr

Utilizzando l’espressione (1) calcoliamo lo spostamento in 1.29 millimetri per ogni Volt di offeset presente all’uscita dell’amplificatore.

Questo valore si ottiene se l’altoparlante non è montato in una cassa chiusa (per esempio dipolo, reflex, linea di trasmissione).

Quindi per un tweeter lo spostamento è nell’ordine dei centesimi di millimetri per Volt mentre per un woofer è nell’ordine dei millimetri per Volt.

Se il woofer è montato in cassa chiusa lo spostamento dell’equipaggio mobile risulta ridotto del fattore (1+a) dove a è il rapporto tra il volume della cassa e la VAS del woofer. Di norma a è maggiore di uno e vale tipicamente 3 quindi lo spostamento risulta quattro volte più piccolo. Questo significa che lo spostamento di un woofer caricato in reflex è circa quattro volte superiore rispetto allo stesso woofer montato in cassa chiusa con a=3 (poi sappiamo che alla risonanza del reflex lo spostamento viene quasi annullato). Per questo i woofer adatti per carico reflex hanno le sospensioni più rigide ma anche frequenza di risonanza più alta. Questo porta, per estendere la risposta verso il basso, ad allineamenti del quarto ordine che presentano più difficoltà di “abbinamento” con l’ambiente (i sistemi che si abbinano meglio con l’ambiente presentano un roll-on di 12 dB/ottava come la cassa chiusa). In ambito professionale, per esempio per la sonorizzazione di ampi spazi aperti, non ci sono problemi di abbinamento con l’ambiente. In ambito HiFi, quando la priorità è ottenere la massima estensione della risposta in frequenza, si utilizzano woofer con sospensioni “morbide” anche per i woofer caricati in reflex.

Può così accadere che i woofer di un sistema reflex possano muoversi vistosamente con i sub sonici prodotti da un giradischi (seguendo per esempio le ondulazioni di un LP). In questo caso o si interviene sul giradischi o si inserisce nella catena un filtro passa alto.

Per concludere in ogni contesto si assumono le soluzioni più adatte allo scopo contingente e non deve stupire che siano soluzioni anche molto diverse tra loro.

Offset e riconoscimento della fase assoluta

L’apparato uditivo umano non è in grado di distinguere la fase assoluta di un segnale acustico. Se ciò avviene è perché il sistema di riproduzione soffre di asimmetrie per cui riprodurre il segnale o il segnale con polarità invertita produce effettivamente due suoni diversi.

La presenza di un offset in continua all’auscita dell’amplificatore produce questa asimmetria per cui invertendo la polarità del segnale cambia la distorsione armonica e questo consente di riconoscere i due segnali.

Sinergie improbabili

Può accadere che la bobina mobile di un altoparlante non sia perfettamente posizionata in modo simmetrico rispetto al traferro. In questo caso una componente di corrente continua (nel segnale) potrebbe rimettere le cose a posto.

Si tratta di un caso fortuito dove un difetto dell’amplificatore (l’offest in uscita) compensa un difetto dell’altoparlante (la bobina non posizionata simmetricamente). Non è il caso di affidarsi a queste eventualità più uniche che rare.