Trasduttori elettroacustici
Coordinatore del Laboratorio Musicale: Prof: Gennaro  Vespoli (Facebook)

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I TRASDUTTORI ELETTROACUSTICI (casse, altoparlanti ecc.)


Vi siete mai chiesti come mai il vostro amplificatore suoni differentemente se lo usate a casa al chiuso o su di un palco in concerto? Vi siete mai domandati perché in molti negozi di musica gli amplificatori di prova sono di solito appoggiati al muro?
I trasduttori elettroacustici o meglio le casse e gli altoparlanti (o driver) reagiscono a precise condizioni di locazione acustica e di configurazione, che possono aumentarne la potenza o cambiarne la risposta in frequenza, come fanno? Partiamo dall’inizio.


UNITA’ SPECIALIZZATE – UNITA’ MULTIVIA


L’unità specializzata prende il nome dalla proprietà di questo apparato elettroacustico di riprodurre il suono limitatamente ad una specifica gamma di frequenze e si possono suddividere in tre tipi:

il woofer – riproduce i suoni di bassa frequenza, da circa 20 Hz a circa 300 Hz

 


il midrange – riproduce i suoni di media frequenza, da circa 300 Hz a circa 2000 Hz

 


il tweeter – riproduce i suoni di alta frequenza, da circa 2000 Hz a circa 20 KHz.

 


La suddivisione delle bande audio nei tre intervalli indicati anche se possibile, non è di solito riscontrabile nei prodotti in commercio soprattutto per quanto riguarda gli estremi di banda, infatti per riprodurre adeguatamente gli estremi di banda vengono usate altre unità specializzate ovvero il sub-woofer e il super tweeter.

L’unità multivia (sicuramente la più diffusa) è un sistema di altoparlanti con trasduttori di tipo diverso montati nella stessa cassa (o cabinet), per cui la gamma di frequenza a cui deve operare l’unità è ripartita in più porzioni (tramite un crossover) ed ognuna viene affidata ad un tipo di trasduttore, il numero di ripartizione effettuato determina il numero delle vie del sistema, quindi non necessariamente il numero delle vie corrisponde al numero di altoparlanti per esempio un sistema a due vie ne avrà almeno una per ogni altoparlante, ognuno incaricato della riproduzione di una determinata banda sonora, ma potrebbe avere anche un driver per gli alti e due altoparlanti per i bassi. Anche qui il sistema può essere suddiviso in base alla banda di frequenza che è incaricato di riprodurre:
unità a gamma intera (full range) riproduce tutte le frequenze audio (voglio rammentarvi che per quanto riguarda gli estremi di banda, la loro riproduzione adeguata va affidata ad unità specializzate, quindi nelle unità full range gli estremi di banda sono sempre inadeguati, la dicitura full range è un tipico trucco commerciale)
unità a gamma quasi intera riproduce tutta la banda audio tranne gli estremi di banda
unità a gamma ristretta limitati intervalli di banda
Tipicamente le unità multivia (tranne quelle a gamma ristretta) vengono divise anche per il numero di vie che utilizzano ovvero
Unità a 2 vie – costituite da un trasduttore per i medio-bassi e da un driver per i medio alti
Unità a 3 vie – costituite da un trasduttore per i bassi, uno per i medi,ed uno per gli alti
Unità a 4 vie - costituite da un trasduttore sub-woofer, da un medio-bassi, da un medio-alti e da un driver per gli alti.
Il numero delle vie non è mai indice della qualità di un sistema, anzi più è alto il numero delle vie più è complicata la sua progettazione (a causa delle regioni di incrocio del crossover).
In effetti le differenze fra un sistema ad unità specializzate ed un sistema multivia sono minime, almeno sul piano funzionale, ma sul piano applicativo un sistema a unità specializzate è molto più modulabile (ad esempio, posso montare 4 sub woofer – 2 woofer – un tweeter e quant’altro desidero, avendo i mezzi economici), ma di contro l’unità multivia ha una compattezza unica (soprattutto nel trasporto) ed un costo molto inferiore.

 



LE CASSE (o cabinet o caricamento del trasduttore)


Il ruolo della cassa non è di certo secondario per il corretto funzionamento dell’unità, sia per quella specializzata che per quella multivia, essa è legata all’esigenza di ottenere una precisa risposta in frequenza. Le possiamo dividere in base alla loro costruzione e in base al tipo di montaggio dell’altoparlante.
Cassa chiusa o a sospensione pneumatica, prende il nome dalla chiusura ermetica della cassa in cui viene montato l’altoparlante, al suo interno viene disposto del materiale fibroso che insieme alla chiusura ermetica della cassa contribuisce ad assorbire la radiazione sonora posteriore dell’altoparlante (l’altoparlante irradia sia anteriormente che posteriormente), evitando o al meglio minimizzando il cortocircuito acustico (che altro non è che un fenomeno per cui la radiazione sonora anteriore e quella posteriore si confondono determinando un drastico peggioramento delle prestazioni alle frequenze più basse).
Cassa aperta, prende il nome da una finestra che viene ricavata su di una delle pareti del mobile che può essere una semplice apertura oppure un condotto tra il volume interno della cassa e l’esterno, di solito cilindrico, serve al recupero in fase di porzioni utili (di gamma bassa) della radiazione posteriore dell’altoparlante, questo tipo di cassa viene detta cassa bass reflex.
In questi tipi di casse l’altoparlante può essere montato sia a radiazione diretta che a radiazione indiretta.
Radiazione diretta è in pratica quando la membrana dell’altoparlante si affaccia direttamente sull’ambiente da sonorizzare.
Radiazione indiretta è in pratica quando la membrana dell’altoparlante si affaccia su un’anticamera prima di arrivare all’ambiente da sonorizzare, questo sistema tende a migliorare l’accoppiamento acustico o un filtraggio più naturale della risposta.
Nel caso in cui l’altoparlante (normalmente un woofer) venga montato all’interno del mobile su una parete delimitata da due camere (una anteriore all’altoparlante ed una posteriore) eventualmente raccordate tra di loro, si definisce a doppio carico bass reflex, se invece una è chiusa e l’altra raccordata si definisce a carico simmetrico, in tutti e due i casi si tratta di casse di tipo passa banda. Un altro tipo di sistema di radiazione indiretta è la cosiddetta tromba, ovvero il driver è posteriormente chiuso su di una camera senza apertura e anteriormente raccordato su un condotto a sezione crescente, potremmo definirla anche a radiazione diretta se consideriamo il raccordo parte del driver. Questo sistema, come molto di voi avranno notato, è piuttosto diffuso nella riproduzione delle frequenze medie e alte, in effetti niente vieta che questo sistema sia usato anche per la riproduzione delle frequenze basse (anzi qualcuno lo ha anche costruito) ma per essere funzionale nella riproduzione di frequenze intorno ai 50 Hz dovrebbe avere un’apertura di almeno 7 metri (il calcolo è semplice, la grandezza di un’onda sonora, è il rapporto che c’è fra la velocità del suono e la sua frequenza), piuttosto ingombrante da portare dietro...


GLI ALTOPARLANTI


È l’elemento centrale di qualsiasi sistema di diffusione, ne esistono di moltissimi tipi ma quelli più diffusi sono il magnetodinamico e il piezoelettrico, il primo sfrutta le leggi dell’elettromagnetismo, il secondo il fenomeno della piezoelettricità dei cristalli (ma solo per la trasduzione delle alte frequenze), in tutte i due i casi l’altoparlante riceve in ingresso un segnale elettrico amplificato e il conseguente movimento del suo diaframma o del suo elemento vibrante genera variazioni istantanee della pressione che lo circonda, quello che poi noi percepiamo come suoni. Più specificamente gli altoparlanti per le basse frequenza (woofer) sono impiegati sia a radiazione diretta in cassa chiusa o aperta, sia a radiazione indiretta in cassa passa banda, gli altoparlanti per le medie frequenze (midrange) sono impiegati a radiazione indiretta, in cassa chiusa, caricati a tromba, gli altoparlanti per le alte frequenze sono tipicamente driver a compressione con un condotto di uscita a tromba.


I CROSSOVER


Per funzionare correttamente le unità multivia hanno bisogno che ogni altoparlante riproduca principalmente l’intervallo di frequenze assegnato, di questo compito se ne occupa il crossover.
È un apparato che svolge varie funzioni ovvero, rende uniformi i livelli di sensibilità dei vari trasduttori dell’unità; protegge i trasduttori delle frequenze medio-alte dai segnali di bassa frequenza, modella la risposta elettroacustica dei vari altoparlanti in modo da ottenere un andamento equilibrato della risposta in frequenza dell’unità.

 


Il crossover è composto da diverse sezioni ognuna delle quali da celle di filtraggio che sono: i filtri passa-basso (che lasciano transitare solo le frequenze inferiori ad una certa frequenza detta di taglio), i filtri passa-alto (che lasciano transitare solo le frequenze superiori alla frequenza di taglio), e i filtri passa-banda (che lasciano transitare solo le frequenze appartenenti ad una certa banda di frequenze delimitata da una frequenza di taglio inferiore e da una frequenza di taglio superiore), è doveroso precisare che qualsiasi filtro non è mai in grado di eliminare completamente le frequenze indesiderate ma li riduce in modo più o meno consistente, la misura di questa riduzione è detta pendenza di attenuazione e viene misurata in dB/ottava.

 


Per esempio, un filtro passa-alto ha una pendenza di attenuazione di 6 dB/ottava e il suo taglio di frequenza è di 500 Hz, se riceve un segnale di 250 Hz (che è l’ottava inferiore alla frequenza di taglio) non riuscirà a fermarlo completamente ma lo attenuerà di 6 dB. La capacità di un filtro di ridurre le frequenza indesiderate viene detta selettività e chiaramente più è elevata l’attenuazione maggiore è la sua selettività. I filtri vengono anche suddivisi in famiglie di appartenenza, ovvero in base alla caratteristiche di filtraggio (Butterworth, Linkwitz, Bessel, Cebicev),la scelta del tipo di filtro da usare è determinata dall’ottenimento di una risposta acustica dell’unità. Un buon crossover fa in modo che nelle regioni di incrocio, ovvero nell’intervallo di frequenze in cui più altoparlanti contribuiscono alla risposta, il livello di pressione sonora sia della stessa grandezza.
Il crossover può essere passivo (normalmente interno e si occupa di ripartire un segnale amplificato) o attivo (normalmente esterno e si occupa di ripartire un segnale pre-amplificato), tra i due è sicuramente più versatile il crossover attivo se non fosse per la necessità di dover utilizzare un amplificatore per ogni via.
È possibile utilizzare in alcuni casi una soluzione mista a patto che il crossover passivo abbia delle sezioni parzialmente escludibili.


L’IMPEDENZA


Molte volte, soprattutto per ragioni commerciali, viene indicato il valore nominale dell’impedenza come se fosse una sorta di categoria di appartenenza (4 Ohm, 8 Ohm) e senza considerare che il suo valore cambia con la frequenza e che non è un semplice carico resistivo dell’unità. In realtà in un’unità con impedenza nominale di 4 ohm, ad esempio, non capiterà quasi mai che nella sua gamma di funzionamento si raggiunga un valore di impedenza di 4 Ohm. L’impedenza è una grandezza elettrica che descrive la reazione di un’unità all’applicazione di un segnale al suo ingresso, un comportamento che, come già detto, varia a seconda della frequenza considerata. La caratteristica di impedenza (ovvero la conoscenza del comportamento dell’unità in base alla frequenza applicata) ci consente di rilevare eventuali incompatibilità di funzionamento con l’amplificazione finale, di ottimizzare il sistema di collegamento in caso di utilizzo di unità multivia o di unità specializzate (ottimizzando la rete di filtraggio passiva), e permette inoltre la definizione della potenza necessaria per l’applicazione di cui abbiamo bisogno. In effetti l’impedenza è costituita da una parte reale (resistiva) e da una parte immaginaria (reattiva) detta reattanza, tutte e due le componenti sono determinate da vari fattori come i trasduttori, le casse o dal sistema di radiazione prescelto, e tutte e due sono variabili in base alla frequenza. Dato che l’unità presenta una impedenza complessa, si determina (in base alla frequenza) uno sfasamento tra corrente entrante e tensione ad essa applicata, determinando fenomeni di deterioramento del segnale audio (distorsione di fase) e un non ideale funzionamenti dell’amplificatore ad esso applicato. Senza scendere in ulteriori particolari tecnici, i dati che più ci interessamento sono, l’impedenza minima (che corrisponde al valore più basso d’impedenza, il suo valore critico è di 2 Ohm, toccato dal suo modulo d’impedenza alla frequenza di utilizzo) che comporterebbe un’attenuazione del segnale dell’amplificatore all’unità, e l’argomento dell’impedenza che non dovrebbe eccedere i 30° per evitare un deterioramento della qualità delle frequenza riprodotte, e per consentire un ottimale funzionamento dell’amplificatore.


RISPOSTA IN FREQUENZA


La risposta in frequenza di un’unità sia di tipo specializzato che di tipo multivia è strettamente legata all’ambiente e alla posizione in cui viene misurata, il suo andamento è di solito rappresentato in forma grafica o tabellare, ed è la misura del variare del livello della pressione sonora in base al variare della frequenza.

 


Dobbiamo considerare che qualsiasi strumento ha un limite inferiore ed un limite superiore di risposta in frequenza, per cui le unità di trasduzione vanno scelte in base allo strumento che devono riprodurre (nel basso a 4 corde il limite inferiore è circa 40 Hz per il Mi basso e di circa 5000 Hz per le sue armoniche superiori, il pianoforte che è lo strumento più esteso va da circa 16 Hz a quasi 18000 Hz per le armoniche superiori), è chiaro che un’unità per basso non riprodurrà efficacemente un pianoforte. Strettamente legata alla risposta in frequenza è la sua risposta assiale ovvero la rilevazione della sua risposta in base all’angolo di ripresa, tipicamente la rilevazione viene fatta a 0° o in asse, considerando l’angolo di 0° il centro del cono per le unità a radiazione diretta in cassa chiusa (o se è composta da più altoparlanti la metà della distanza che intercorre tra il loro cono e gli altri), e per le unità a radiazione indiretta in cassa aperta dobbiamo tener presente che il contributo sonoro del condotto (bass reflex) non è trascurabile quindi la risposta in asse si troverà tra il driver e la sua apertura. A volte viene fornita anche la misura della risposta in frequenza fuori asse con un’angolazione di circa 15° e 30° sia sul piano orizzontale che su quello verticale (tutti i due tipi di risposte in frequenza devono essere rilevate nel medesimo ambiente con le stesse condizioni e posizionamento). Bisogna tener presente che l’utilizzo di qualsiasi unità non è mai perfettamente in asse o fuori asse di 15° o 30° con il nostro ascolto, quindi è bene ricordare che i dati che ci vengono riferiti sono puramente indicativi in quanto risentono della posizione e dell’ambiente. Nella rappresentazione grafica della risposta in frequenza possiamo distinguere tre regioni caratteristiche di frequenza, ovvero roll-on (o roll-off inferiore), banda passante, roll-off.
Roll-on è la salita in potenza in base alla frequenza analizzata, partendo dal limite inferiore della banda audio (20 Hz) avremo una salita con una pendenza di circa 12 dB ottava per gli altoparlanti con caricamento a cassa chiusa, e di circa 18 dB ottava per gli altoparlanti a cassa aperta.
Banda passante: è questa la regione di frequenza in cui possiamo individuare la gamma di funzionamento dell’unità. Nella regione di banda passante la curva di risposta tende a divenire diritta (tranne qualche avvallamento o rigonfiamento) e si ottiene determinando il picco di potenza di una frequenza e scendendo in una finestra di tolleranza di + o – 3 dB includendo nella banda passante tutte le frequenze che rispettano questo principio.
Roll-off è la discesa in potenza della frequenza analizzata con una pendenza di circa 36 dB ottava (ogni ottava la pressione sonora diminuisce di 36 dB).

Va inoltre considerato che la risposta in frequenza risente della collocazione (vedi sensibilità) e dell’ambiente a causa delle radiazioni indirette del suono per cui l’unica condizione per un corretto confronto fra diverse unità è la rilevazione della risposta in frequenza fatta in camera anecoica ovvero priva di qualsivoglia superficie riflettente (tipo sospesa nel vuoto).
Un altro fenomeno che altera sostanzialmente la risposta in frequenza di un’unità è il power compression, causato dal riscaldamento della bobina mobile dell’altoparlante a seguito di un ampio passaggio di corrente (fenomeno non facilmente controllabile se non si dispone di un’adeguato sistema di raffreddamento della bobina).


SENSIBILITA'


Anche questa strettamente legata alla risposta in frequenza, è il valore del livello di pressione sonora emesso dall’unità dopo l’applicazione di un segnale ai suoi morsetti, rilevata ad una distanza e in una posizione adeguata. Viene espressa in dB SPL (sound pressure level) e di solito ne viene indicato il suo valore massimo (MAX SPL – metro), la sua rilevazione è piuttosto complessa perchè risente moltissimo della posizione (soprattutto per le unità bassi) e per la poca attendibilità per le misure fatte per frequenze inferiori ai 150 Hz (sia in camera anecoica che con i sistemi computerizzati) in effetti l’unica soluzione possibile per la rilevazione senza l’influenza di eventuali superfici riflettenti sarebbe una piattaforma all’altezza di almeno 10 mt, in situazione di spazio aperto (o su angolo solido - 4 pi-greco str), di contro una simile misurazione non avrebbe quasi nessun riscontro reale (a meno che non si impieghi l’unità in modo sospeso da terra), per cui dato che la stessa superficie di appoggio dell’unità (tipo pavimento) incrementa la sensibilità fino a 6 dB e quindi per ottenere lo stesso livello di pressione sonora risparmieremo l’amplificatore di potenza, viene indicata una rilevazione in semispazio (2 pi-greco) praticamente su di una superficie tipo grande parcheggio o pista di un’aeroporto. Per ottenere un altro aumento di sensibilità che può variare dai 3 ai 6 dB è necessario che l’unità sia appoggiata ad un’ampia parete, e viene indicata come in quarto di spazio (o su angolo solido di pi-greco str).
Un’ulteriore incremento si può ottenere collocando l’unità nella convergenza fra due ampie pareti, anche qui il valore di incremento può variare dai 3 ai 6 db.
In pratica semplicemente agendo sulla collocazione della nostra unità potremmo avere un’incremento di ben 18 db, un’enormità considerando che teoricamente un’unità bassi con impedenza nominale di 8 ohm per ottenere lo stesso livello di pressione sonora avrebbe bisogno di una potenza di 64 volte superiore.
È chiaro che giudicare un’unità bassi in base ai dati della sua sensibilità rilevata in campo aperto, non è corretto e non è motivo di scelta tra i vari modelli disponibili.
Qualche volta si confonde la sensibilità con l’efficienza, sono due concetti distinti e separati. L’efficienza è la misura percentuale dell’energia elettrica che viene convertita in energia sonora, e risente moltissimo del tipo di caricamento dell’unità (l’unità bassi a cassa aperta ha un’efficienza bassissima intorno al 1-2%, un’unità a tromba ha un’efficienza intorno al 10-15%.


LA TENUTA IN POTENZA


È una delle maggiori caratteristiche tra le specifiche tecniche di un’unità, ed è l’individuazione del massimo segnale accettabile dall’unità prima della rottura dell’altoparlante. Essendo l’individuazione di questo segnale piuttosto controversa a causa, sia della sua variabilità d’impedenza con il variare della frequenza applicata, sia per la tensione applicata ai morsetti dell’altoparlante che non essendo, come abbiamo già detto, un carico puramente resistivo, comporta uno sfasamento tra corrente e tensione d’ingresso. Le norme internazionali prevedono per questo tipo di misura due alternative, in una l’uso di un segnale sinusoidale con una frequenza scelta all’interno della banda passante, l’altra l’uso di un segnale complesso con un gran numero di frequenze che coprano almeno una decade iniziando dal limite inferiore della banda passante. Tralasciando il fatto che i due risultato ottenuti (esaminando una stessa unità) avranno valori diversi, ci si pone anche il problema della durata temporale della tenuta in potenza. I dati per definire, almeno commercialmente, la tenuta in potenza sono il program capacity e il noise capacity. Il primo si riferisce al valore di picco di accettabilità di un’unità, il secondo il suo valore efficace (entrambe definiscono la tenuta in potenza di un’unità). Chiaramente il valore di picco sarà più alto del valore efficace (in una sinusoide è pari ad 1,41 volte il valore efficace), quindi per avere un dato attendibile della tenuta in potenza utilizzeremo un altro parametro detto MIL maximum input level, ovvero il livello di tensione applicato all’unità che induce ad una distorsione inaccettabile (ad esempio il 10% di distorsione da intermodulazione), conoscendo il MIL e la sensibilità dell’unità possiamo stabilire la massima pressione sonora che la nostra unità ad una distanza adeguata può produrre, ovvero la minima tensione applicabile per produrre una gittata dell’unità accettabile (la gittata di un’unità è pari al quadrato inverso della distanza ovvero ad ogni raddoppio della distanza il valore scenderà di 6 dB).


LA DISTORSIONE


È d’uso affermare che un’unità genera distorsione e quindi emette suoni distorti quando tra il segnale da riprodurre ed il segnale riprodotto si accerti un’alterazione, che può essere composta sia da componenti sonore non presenti all’origine, sia nella variazione dei livelli della componente da riprodurre. La distorsione viene divisa in due tipi, distorsione armonica e distorsione da intermodulazione.
Distorsione armonica è il caso in cui vengono introdotte componenti sonore la cui frequenza coincide con le armoniche del segnale da riprodurre (su un segnale di 40 Hz, vengono riprodotte anche componenti pari ad un suo multiplo, 80 Hz, 120 Hz, 160 Hz ecc.). Le armoniche di distorsione vengono definite in base al valore del multiplo che le lega alla componente originaria, gli viene attribuito un ordine (80 Hz di secondo ordine – multiplo 2 della frequenza originale, 120 Hz di terzo ordine – multiplo 3 della frequenza originale ecc.) La sua entità detta THD – Total Harmonic Distorsione (esistono anche i valori parziali riferiti alla grado di distorsione di una componente armonica), è un valore percentuale che rappresenta la media dei tassi di distorsione armonica di ogni ordine. Il THD varia a seconda della frequenza e della potenza applicata all’unità quindi avremo bisogno di una tabella composta dal valore di distorsione per ogni frequenza e della relativa potenza applicata per poter valutare correttamente un’unità, oppure di un valore comune di riferimento tipicamente 1000 Hz (caratteristica di distorsione). Dal punto di vista dell’ ascolto questo tipo di distorsione non è necessariamente sgradevole, purché il THD non sia molto elevato, anzi in alcuni casi può essere d’aiuto.
Distorsione da intermodulazione è il caso in cui al segnale da riprodurre vengono aggiunte al segnale da riprodurre componenti date dalla somma e dalla differenza delle frequenze di base o dalle sue componenti armoniche (su un segnale di 40 Hz verranno introdotti segnali di frequenza 20 Hz, 60 Hz, 80 Hz ecc). Questo tipo di distorsione è la più deleteria perchè impedisce la intelligibilità del segnale da riprodurre. Sarebbe auspicabile che i costruttori inserissero questo dato nelle caratteristiche dei loro prodotti.

Si è cercato in questo piccolo resoconto di dotare il lettore di una serie di strumenti adatti per la valutazione di un sistema di trasduttori elettroacustici, e per capire i dati che vengono forniti dai costruttori come caratteristiche dei loro prodotti, si è volutamente trascurato un dato.


LA FASE


Benché qualsiasi sistema di altoparlanti operi uno sfasamento del segnale (quando la stessa frequenza viene emessa con un’andamento sfalsato) con una sua conseguente diminuzione, aumento o cancellazione (in base al grado di sfasamento), il nostro orecchio non è in grado di percepirne la variazione (soprattutto per le basse frequenza) e quindi il panorama acustico non ne è fortemente influenzato.

È bene ricordare che la valutazione migliore di un sistema di trasduzione (tenute presente le informazioni fornite) è il nostro orecchio mediato dal gusto personale e dai nostri riferimenti musicali.


Corrado Laudadio

 

Coordinatore del Laboratorio Musicale: Prof. Gennaro Vespoli (Facebook)

Contatta l'autore del sito: gennarovespoli63@gmail.com

 

 

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