Audio per Windows (parte quarta)

Audio per Windows, il nuovo CAD di AUDIOreview

Con questa puntata si conclude la descrizione dei carichi acustici. Di scena sono due metodologie che non potrebbero essere più antipodali: il doppio reflex (parallelo) ed il caricamento in sospensione con pilotaggio in corrente. Già la prima viene considerata da pochi programmi, e sovente da softwaristi che non ne hanno malfatto e verificato anche uno solo, ma la seconda è completamente frutto dell’opera di ricerca effettuata nel nostro team.

II carico simmetrico visto nella scorsa puntata è il primo dei sistemi passa-banda ma anche l’ultimo modo di caricamento per il quale è possibile definire un “allinea mento” univoco: dato il solo fattore di ripple che si desidera, i parametri di Thiele e Small del trasduttore conducono ad una sola soluzione, anche se poi il “detuning” rappresenta la reale prassi operativa di qualunque progetto concreto. Con il doppio reflex le regole “canoniche” di caricamento finiscono, e le scelte fondamentali vengono lasciate al progettista. 11 motivo non è solo nella relativa complessità del
modello e dei gradi di libertà che lascia, ma anche nel fatto che di studi su questo caricamento ne sono stati fatti in assoluto pochi, probabilmente perché a nessun ricercatore interessa approfondire o migliorare qualcosa di cui altri detengono il brevetto (come già detto, il doppio reflex, e peraltro anche il triplo, sono brevetti Bose); ciò ovviamente spiega anche perché il doppio reflex (e le relative varianti/evoluzioni) sia stato in assoluto così poco frequentato a livello commerciale (le realizzazioni di questo tipo si contano sulle dita di una mano, e sovente si trattava di
doppi reflex “mascherati”), e rende pure ragione del perché esistano così pochi programmi in grado di simularlo correttamente. Per fare un programma di simulazione basta conoscere un linguaggio di programmazione, reperire le formule in letteratura ed implementarle in una interfaccia utente facilmente utilizzabile: se non sono stati commessi errori marchiani, e salvo casi particolari, le curve di risposta ed impedenza simulate (non però la massima pressione, dove già il discorso si complica) saranno “abbastanza” simili alla realtà. Per fare un CAD, ovvero un programma che consenta di evitare la costruzione di prototipi (o di “troppi” prototipi) e di centrare al primo colpo i propri obiettivi, occorre conoscere un linguaggio di programmazione, reperire le formule in letteratura e saperle “digerire” bene, ma al contempo fare ricerca originale e svilupparsi i modelli, costruire dei prototipi, misurare i prototipi, confrontare la realtà delle misure con la simulazione, constatare che le cose non tornano più di tanto, capire il perché, affinare i modelli, tornare quante volte occorre al loop costruzione/misura/confronto, giungere a delle conclusioni in grado di mettere d’accordo teoria e pratica, inserirle nelle formule e sviluppare l’interfaccia utente.

In quanti, tra i redattori dei software di simulazione audio reperibili in commercio (e talvolta a caro prezzo) o shareware/freeware (ed almeno lì il costo è onesto), credete che non abbiano intrapreso la prima scorciatoia? È un quesito fondamentale che dovrebbero porsi tutti quelli che si dilettano o si occupano professionalmente di progettazione, a meno di non voler prender per buono tutto ciò che si vede sul monitor solo perché l’ha calcolato un computer, come purtroppo tanta parte del nostro prossimo prende per oro colato qualsiasi baggianata solo perché è stata detta in televisione. Noi non vogliamo rispondere, ci limitiamo ad osservare che per seguire la seconda strada occorre cultura, tempo, volontà ed investimenti, ovvero un serio professionismo: se di questi ingredienti ne manca anche uno solo, se tanto non vale fidarsi dell’astrologo, neppure ci si dovrà meravigliare se i propri progetti suonano al di sotto delle attese.

Il progetto del doppio reflex

Abbiamo appena detto che non esiste allo stato una metodica “canonica” per il dimensionamento di un doppio reflex parallelo, eppure, anche in questo caso, AUDIO per Windows mette a disposizione un pulsante “Imposta caricamento ottimale”, premendo il quale si ha sempre la pratica certezza di “azzeccare” una risposta corretta e comunque un’ottima base di partenza per successivi perfezionamenti. Il merito è ancora una volta di Gian Piero Matarazzo, che già una decina di anni or sono trovò un metodo parzialmente empirico di dimensionamento, basato da un lato sul fatto che il lato inferiore della risposta è quasi totalmente controllato dalla camera accordata più in basso (per la quale si può quindi in prima approssimazione adottare un convenziona le allineamento reflex) e dall’altro da una relazione di tipo esponenziale tra il Qt dell’altoparlante ed il binomio volume di carico / frequenza di accordo della seconda camera; per grandi linee, il secondo volume vale di norma circa la metà del primo, e la frequenza di accordo il doppio della prima.

A prescindere da questa possibilità, la finestra di definizione del doppio reflex parallelo (fig. 1) è totalmente “libera “, l’unico vincolo essendo costituito dalla possibilità di impiegare un passivo solo per l’accordo della sezione posteriore (quella che per con-suetudine è accordata più in basso); si potrebbe naturalmente immaginare un doppio reflex con 2 passivi, e non è escluso che questa possibilità sia implementata in una futura versione del programma, ma il prezzo sarebbe un’ulteriore caduta del rendimento, già basso (più basso di quanto ci si attende dai modelli privi di dissipazioni!) per l’affidamento della radiazione ai condotti. Come e forse più che nel carico simmetrico, il comportamento reale del doppio reflex non può infatti prescindere dai fattori di merito equivalenti alle perdite, e qui ce ne sono ben sei (i due dei box ed altrettanti per coibentazione e sezioni di accordo)! Consigliamo per tanto un’attenta lettura del box di approfondimento di Gian Piero.

Figura 1. La finestra di definizione del doppio reflex parallelo, come appare alla prima chiamata.

Figura 1. La finestra di definizione del doppio reflex parallelo, come appare alla prima chiamata.

Il caricamento in sospensione con pilotaggio in corrente

I lettori fedeli ricorderanno che qualche anno fa dedicammo una monografia al pilotaggio in corrente (AUDIOreview nn. 157/158/163/164), una tecnica alternativa e sotto molti aspetti rivoluzionaria rispetto al convenzionale pilotaggio in tensione, soprattutto perché in grado di ridurre e semplificare i prodotti di distorsione ed eliminare totalmente le distorsioni lineari e non lineari di origine termica (dovute cioè al surriscaldamento della bobina mobile).

Anche se già in passato sono stati proposti alcuni esempi di sistemi commerciali basati sul pilotaggio in corrente, non c’è da illudersi che questo sistema possa acquisire qualche forma di notorietà tra gli audiofili: da un lato perché il pilotaggio in tensione è assai “comodo” (lo smorzamento è quasi totalmente elettrico, il che consente di ottenere Qt bassi ed adatti ad essere impiegati in tutte le modalità di caricamento) mentre il pilotaggio in corrente richiede un’amplificazione almeno in parte studiata per il singolo altoparlante (o sistema di altoparlanti), dall’altro perché molti audiofili sono innamorati dei componenti ben più che della musica, e preferiscono cercare il miglior verso di connessione dei cavi o dotarsi di monotriodi piuttosto che curare l’acustica del proprio ambiente o ricorrere a tecniche non convenzionali capaci di migliorare oggettivamente l’ascolto.

Nella monografia del ’96 proponemmo tre tecniche analitiche, le prime due sviluppate dal sottoscritto e la terza da Claudio Emiliozzi, tutte richiedenti il caricamento in sospensione pneumatica del trasduttore. La prima è basata sulla creazione di allineamenti elettromeccanici (ovvero in cui la funzione di trasferimento complessiva viene fattorizzata in due stadi, uno dei quali è costituito dall’altoparlante, mentre il resto è un filtro passa-alto elettronico) e conduce ad allineamenti passa-alto in sospensione di ordine dal terzo in su. La seconda si basa sull’annullamento del mancato smorzamento elettrico dell’altoparlante operato da un filtro correttore semi-notch, e consente di riottenere la risposta e lo smorzamento propri del convenzionale pilotaggio in tensione, con un ordine acustico finale che è quindi il secondo. La terza sfrutta un circuitalmente semplice (4 operazionali) filtro elettronico per il controllo virtuale di massa, elasticità e resistenza del sistema elastico rappresentato dall’altoparlante, consentendo di azzerare virtualmente il polo naturale del trasduttore ed ottenere una risposta a fase nulla (!) fino in teoria alla corrente continua (!!). Delle tre, la più attraente – ma il termine “epocale” sarebbe ben più appropriato – è proprio quella di Emiliozzi, ma credete che qualcuno se ne sia accorto a livello produttivo (non sussiste brevetto)? Pensate che, al di là delle ritrite elucubrazioni sulla velocità dei bassi degli amplificatori, a qualcuno interessi davvero ascoltare lo smorzamento di un altoparlante che non introduce distorsioni di fase e risponde fino agli infrasuoni, oltre a distorcere molto meno di se stesso pilotato in tensione? I pochi fortunati che possono dire di aver vissuto un’esperienza del genere sono quelli che nel settembre del ’96 visitarono la saletta di AUDIOreview al Top Audio, ove portammo i prototipi, e chi realizzò il sistema in proprio.

Delle tre tecniche proposte a suo tempo AUDIO per Windows implementa la prima, un po’ perché è la più semplice concettualmente e la più facile da realizzare, un po’ perché è meno sensibile alle tolleranze dei componenti ed alla varianza/instabilità a medio termine di alcuni dei parametri di Thiele e Small dell’altoparlante; c’è poi un terzo motivo, l’unico determinante: l’autore del programma non ha avuto, ad oggi, tempo per inserire le altre due…

Figura 2. Se si accede alla finestra del pilotaggio in corrente ed il caricamento attuale dell'altoparlante non è in sospensione, si viene avvertiti che...

Figura 2. Se si accede alla finestra del pilotaggio in corrente ed il caricamento attuale dell’altoparlante non è in sospensione, si viene avvertiti che…

Per progettare un sistema con pilotaggio in corrente non si deve accedere alle opzioni del menù “Carica”, come per gli altri quattro caricamenti, bensì alla voce apposita collocata sulla destra dei menù disponibili a livello della finestra di definizione dei trasduttori. In questo modo viene visualizzata la finestra di figura 3, preceduta però dal messaggio di figura 2 nel caso che il caricamento preesistente non fosse quello in sospensione o l’aria libera. Per pilotare un altoparlante in corrente la prima scelta da operare è quella relativa al dimensionamento della cassa chiusa che lo caricherà, dalla quale dipende il fattore di merito meccanico, l’unico che è attivo con questo pilotaggio, visto che l’impedenza di uscita dell’amplificatore è teoricamente infinita e comunque molto alta (se il finale in corrente è fatto bene, vale anche alcune migliaia di ohm). Come ben sanno tutti gli autocostruttori con un minimo di background (gli altri è bene che studino la teoria prima di metter mano al programma!), il confinamento in un volume chiuso determina un innalzamento del Q meccanico dell’altoparlante. Dal punto di vista del circuito meccanico ciò è subito evidente considerando che il modello è un RLC serie, cui viene posta in serie la capacità equivalente al volume dell’aria, e valendo Q=l/[R*sqr(C/L)] si ha che quando il volume dell’aria diminuisce il Q aumenta.

Figura 3. La finestra di definizione del pilotaggio in corrente con caricamento in sospensione, come appare alla prima chiamata.

Figura 3. La finestra di definizione del pilotaggio in corrente con caricamento in sospensione, come appare alla prima chiamata.

Ma da un punto di vista più qualitativo, e quindi intuitivo, quando si riduce il volume d’aria in cui lavora l’altoparlante la sua cedevolezza pure diminuisce e tende a divenire prevalente rispetto a quella del sistema di sospensione (sospensioni esterne + centratore): poiché però la componente dissipativa propria dell’aria è trascurabile, ne consegue anche un parallelo decremento delle perdite energetiche totali, e quindi un aumento del Q meccanico; altrettanto ovviamente, valendo la risonanza Fs=l/[6,28*sqr(L*C)], quando il volume diminuisce la frequenza di risonanza (ovvero di taglio) sale.

Di default, AUDIO per Windows non fa scelte sul volume di carico: se non abbiamo già caricato l’altoparlante in sospensione lo mette pari a 5 metri cubi (5000 litri), il che equivale a dire aria libera e Q meccanico pressoché pari a quello di Thiele e Small. A questo punto possiamo operare sul menù del caricamento esattamente come abbiamo fatto nel caso del tradizionale caricamento a sospensione, solo che lì agivamo su un Q che era il parallelo di quello meccanico ed elettrico, mentre qui abbiamo solo il Qm. Quando abbiamo fissato il volume che desideriamo, oppure la risonanza che ci soddisfa, AUDIO per Windows legge il Qm ottenuto e sulla base di quello calcola automaticamente tutti i possibili allineamenti elettromeccanici dal secondo (che poi non sarebbe un elettromeccanico: è il solo altoparlante!) fino al sesto, per realizzare il quale l’altoparlante (che è un passaalto di secondo ordine) verrà affiancato ad un opportuno passa-alto elettronico del quarto ordine. Ovviamente si può partire anche dal Qm, sebbene non abbia in generale molto senso. Ci si potrebbe chiedere a questo punto su quale base il programma determina gli allineamenti possibili, e per rispondere in modo semplice occorre tornare (per chi già conosceva WinCross, per gli altri si tratta di una novità) alla finestra di definizione dei filtri attivi. Sappiamo che gli allineamenti più smorzati sono i Bessel, seguiti dai Butterworth e dai Chebychev, con questi ultimi tantomeno smorzati quanto maggiore è il fattore di ripple. Se andiamo ad esaminare il fattore di merito degli stadi di secondo ordine in cui un filtro di alto ordine può essere fattorizzato, noteremo che nei Bessel il Q più alto è inferiore rispetto ai Butterworth, che a loro volta hanno Q minori dei Chebychev (del resto è persino intuitivo che i singoli stadi siano più smorzati quanto più smorzato è l’allineamento d’insieme). Inoltre, in tutti gli allineamenti, il Q più alto aumenta all’aumentare dell’ordine. Dato un limite preciso di ordine (nel nostro caso, come detto, il sesto) sussiste un esatto valore di Qm al di sotto del quale non è possibile scendere se si intende realizzare un allineamento Bessel o Butterworth (o meglio,  trattandosi di allineamenti “rigidi”, solo se l’altoparlante ha un Qm pari a quello richiesto dall’allineamento è possibile realizzare l’allineamento).

Per il sesto ordine, questo valore di Qm vale 1.023 per un Bessel e 1.932 per un Butterworth: si tratta di valori molto bassi, ottenibili unicamente con altoparlanti aventi un Q meccanico intrinseco già basso montati in casse piene di coibentazione, ed in volumi non troppo piccoli. Il Chebychev non ha invece limiti: dato un ripple abbastanza alto, anche un Qm molto alto può essere utilizzato.

Ne consegue che, salvo alcuni casi, AUDIO per Windows proporrà solo allineamenti Chebychev, con ripple decrescente all’aumentare dell’ordine e con esclusione automatica degli ordini (inferiori) che conducono a ripple maggiori di 5 dB. Optando per un allineamento Chebychev di quelli proposti, il programma non modifica il volume di carico impostato dall’utente. Se però il Qm ottenuto è uguale o superiore a quello minimo richiesto per realizzare allineamenti Bessel o Butterworth, allora vengono proposti anche questi (con ordini minimi sempre più bassi quanto minore è il Qm), ma selezionandoli il volume di carico (e quindi la risonanza) verrà modificato in modo tale da raggiungere il particolare Qm richiesto per il Bessel/Butterworth desiderato. Può sembrare complicato, ma in realtà è un modo di operare che permette di dimensionare un allineamento in corrente con pochissime operazioni.

Ma non finisce qui, come del resto ben si evince dalle immagini. È infatti ben noto che gran parte degli altoparlanti dinamici, e vieppiù i woofer, sono affetti dal problema dell’induttanza parassita, per cui la loro impedenza sale con la frequenza. Con il pilotaggio in tensione non sussistono problemi (salvo frequenti aumenti della distorsione sulle frequenze più elevate, dovute a comportamenti isteretici del gruppo magnetico), ma nel pilotaggio in corrente questo aumento determina una parallela ed indesiderabile salita della risposta. Il modo più semplice per compensarlo è l’uso di una classica cella RC per linearizzare l’impedenza, che sappiamo (Win-Cross sin dalla versione 1.0) poter essere inserita nel blocco delle celle di compensazione; uscire dalla finestra per pilotaggio in corrente, da quella dei trasduttori, entrare nella finestra delle celle di compensazione, modificare la cella e verificarne localmente l’effetto sarebbe però un po’ scomodo, per non dire che farebbe passare la voglia… per cui la cella RC può essere dimensionata ed il suo effetto simulato direttamente all’interno del quadro del pilotaggio in corrente (v. esempio in fig. 5a e
5b).

Figura 5a. Pilotaggio in corrente: esempio di risposta di un woofer privo di cella di compensazione dell'induttanza parassita.

Figura 5a. Pilotaggio in corrente: esempio di risposta di un woofer privo di cella di compensazione dell’induttanza parassita.

Figura 5b. Ecco invece cosa si ottiene inserendo una cella opportuna.

Figura 5b. Ecco invece cosa si ottiene inserendo una cella opportuna.

Quando, alla fine del dimensionamento, si preme sul pulsante “O.K.”, vengono fornite tutte le avvertenze del caso: si richiede se si desidera modificare amplificatore e filtri attivi in modo da implementare quanto richiesto (fig. 6), viene spiegato cosa viene visualizzato nella curva di risposta del trasduttore (fig. 7) e, se la rete RC è stata modificata, si viene avvertiti che la modifica è stata introdotta (fig. 8).

Figura 6. Quando si decide di adottare un allineamento in corrente, in uscita dalla relativa finestra si viene avvertiti che...

Figura 6. Quando si decide di adottare un allineamento in corrente, in uscita dalla relativa finestra si viene avvertiti che…

Figura 7. E poi anche che...

Figura 7. E poi anche che…

Figura 8. E se la cella RC parallelo è stata modificata...

Figura 8. E se la cella RC parallelo è stata modificata…

Vogliamo riportare un’ultima annotazione, sulla quale si potrebbe però sviluppare un intero libro e che del resto riprenderemo in termini concreti entro qualche mese: come a suo tempo sottolineato da Claudio Emiliozzi, il pilotaggio in tensione sta ai crossover paralleli come il pilotaggio in tensione sta ai crossover serie (come ben si comprende considerando semplicemente che un amplificatore di corrente impone la stessa corrente a prescindere dall’impedenza di carico). Se si imposta un progetto di sistema di altoparlanti basato su amplificatori in corrente e crossover serie, l’unica esigenza in più rispetto ai sistemi convenzionali è quella relativa al circuito elettronico (passa-alto, semi-notch o filtro complementare) da far precedere all’amplificatore, ma alla fine si ottiene qualcosa in cui la distorsione è scesa, la stabilità termica è totale e l’influenza dei cavi di connessione del tutto nulla. In figura 9 vediamo un esempio di come le Double Face del primo ordine potrebbero essere impiegate in questo modo.

Figura 9. Esempio di conversione a "corrente" delle Doublé Face 1. Senza entrare troppo nel dettaglio del crossover (che usa pochi componenti in più rispetto a quello in tensione ed è comunque del primo ordine: magari approfondiremo infuturo anche in relazione con l'altra versione), in questo caso basta anteporre un passa-alto del primo ordine con Ft 116 Hz per ottenere un sistema dalle caratteristiche molto simili all'originale in termini di risposta, ma con tutti i vantaggi intrìnseci del pilotaggio in corrente.

Figura 9. Esempio di conversione a “corrente” delle Double Face 1. Senza entrare troppo nel dettaglio del crossover (che usa pochi componenti in più rispetto a quello in tensione ed è comunque del primo ordine: magari approfondiremo infuturo anche in relazione con l’altra versione), in questo caso basta anteporre un passa-alto del primo ordine con Ft 116 Hz per ottenere un sistema dalle caratteristiche molto simili all’originale in termini di risposta, ma con tutti i vantaggi intrinseci del pilotaggio in corrente.

di Fabrizio Montanucci

da AUDIOreview n. 221 febbraio 2002

 

Vedere anche il box integrato nell’articolo: “Teoria e pratica del doppio carico reflex” di Gian Piero Matarazzo

Author: Redazione

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