Il fattore di smorzamento – effetti pratici

di Mario Bon

2 marzo 2014, 23 luglio 2017

 

 

Il tema è quantificare la variazione di SPL prodotta da un diffusore in funzione del fattore di smorzamento dell’amplificatore stesso. La domanda cui rispondere è:

 

è maglio aumentare l’impedenza o aumentare la sensibilità de diffusore?

 

Un ampli a valvole è limitato in corrente: su 4 e 8 ohm eroga la stessa potenza. Dato che l’altoparlante è sensibile alla tensione, questo significa una differenza di 3 dB di SPL. Per l’SPL, quello che conta è la tensione massima disponibile ai capi del carico. La soluzione migliore è

 

-          un diffusore 8 ohm

-          con almeno 91 dB per 2.83 Vrms in ingresso

-          impedenza costante (o regolarizzata)

 

In questo modo il diffusore

 

-          Sfrutta tutta la potenza degli amplificatori a valvole,

-          produce meno distorsione con gli amplificatori a stato solido

-          suona allo stesso modo sia con ampli a valvole che allo stato solido.

 

Qui di seguito vengono considerati il Simply Italy, Performance, Unico 100 e Unico 150 (prototipo)

e alcuni diffusori a bassa impedenza. L’amplificatore migliore, per interfacciabilità,è senza dubbio l’Unico 100.

L’impedenza del diffusore MAX_1 (due vir reflex con woofer da 12” e tromba) è stata regolarizzata e sono state fatte le misure di confronto (con e senza regolazione).

 

Lo stimolo utilizzato per la misura è rumore rosa con banda passante da 32 a 16kHz misurato a terzi di ottava. Il cavo usato per collegare i diffusori è un Kimber lungo 5 metri. Tutte le misure sono relative.

 

Anche l’Unico 100 suona “più forte” con carichi alti:

 

 su 8 ohm +23.4 dB

 su 4 ohm +22.59 dB

 su 2 ohm +20.95 dB

 

l’ Unico 100 va considerato 125 Watt RMS  su 8 ohm con tensione costante da 2 a 16 ohm. Quindi + 21dB garantiti (da 2 a  ohm) ma con possibilità di arrivare a +23.4 (+2.4dB).

 

 su 8 ohm: 125 Watt -> +21 dB  (20.96 dB per la precisione)

 su 4 ohm  250 Watt -> +21 dB

 su 2 ohm  500 Watt -> +21 dB

 

Per ottenere questi valori anche al banco di misura basta inserire un limitatore di tensione all’ingresso dell’ampli (cosa che non si fa per sfruttare tutta l’escursione di tensione sui carichi più alti).

Quel 21 dB significa che, se si utilizza un diffusore da 90 dB con impedenza compresa tra 2 e 8 ohm si oppongono 90+21=111 dB SPL in asse a un metro con un segnale sinusoidale.

In realtà la massima potenza continua che arriva sul carico in regime musicale è di circa 28 Watt mentre il picco di potenza è pari alla potenza massima. Quindi con un programma musicale con fattore di cresta pari a 3 otterremo 90+14.5=104.5 dB di livello SPL e picchi di pressione di 114 dB (111+3=114). Il picco di pressione non dipende dal fattore di cresta del programma musicale. In queste condizioni, ogni terzo di ottava partecipa con circa 90 dB (ammesso che lo spettro del rumore rosa sia piatto sulle 3 decadi). 

 

 su 8 ohm:  28 Watt -> +14.5 dB   con picco di    250 Watt

 su 4 ohm   56 Watt -> +14.5 dB   con picco di    500 Watt 

 su 2 ohm  112 Watt -> +14.5 dB   con picco di 1000 Watt 

 

 

In questo grafico ogni divisione vale un dB.

Simply Italy: variazione della tensione di uscita al variare del carico resistivo 3.3, 4.7,  8.2 e 10 ohm. Tra il carico massimo di 10 ohm ed il minimo di 3.3 ci sono oltre 2.5 dB di differenza. La tensione a vuoto (non misurata in questo caso) è circa 2 dB sopra la tensione prodotta su 8 ohm. Questo porta la differenza di SPL ottenibile con carico a 3.3 ohm e carico “infinito” a circa 4.5 dB.

 

 

Simply Italy confronto tra la tensione ai morsetti di uscita con due diffusori diversi: il diffusore MAX_1 ed un prototipo chiamato 4EA14. Nel grafico ogni divisione vale 2 dB.

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm

Traccia  Viola: Diffusore di MAX

Traccia rossa: Diffusore 4EA14.

A causa della bassa impedenza la 4EA14 perde un dB rispetto alla MAX_1. Notare che, più il carico è elevato, più la tensione di uscita si avvicina alla tensione a vuoto.

Tutto ciò avviene cambiando soltanto i diffusori.

 

 

A vedere questo grafico viene da dire che, se l’impedenza della 4EA14 fosse di 10 ohm suonerebbe 3 dB sopra alla MAX_1. Ne segue che, con un amplificatore come il Simply Italy, un diffusore da 91 dB con Z=10 ohm produce lo stesso SPL di un diffusore da 94 dB con 5 ohm.

 

Simply Italy con diffusore Callas 2007 (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: carico resistivo da 8.2 ohm

Traccia arancio: controreazione bassa (spettro blu).

Traccia rossa: controreazione alta (spettro blu).

 

Nota: nel Simply il tasso di retroazione è selezionabile

Performance con Callas 2007. Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: 8.2 ohm

Traccia arancio: uscita 8 ohm

Traccia rossa: uscita 4 ohm (meno variazione ma anche meno tensione)

 

 

Effetto della compensazione dell’impedenza

 

La compensazione dell’impedenza consente di far suonare allo stesso modo un diffusore indipendentemente dal fattore di smorzamento dell’amplificatore.

 

L’ Unico 100 è un amplificatore ibrido con stadio di uscita a MOSFET e con 15-16 dB di controreazione globale. Il fattore di smorzamento è superiore a 220 (impedenza di uscita 0.036 ohm). La resistenza di mezzo metro di cavo AWG10 vale 0.00328 (bisogna contare mezzo metro in andata e mezzo metro in ritorno). Ne segue che, anche con 5 metri di cavo, il fattore di smorzamento complessivo dovuto sia all’impedenza di uscita dell’amplificatore che a quella del cavo, rimane superiore a 100. Risultato: la differenza tra la tensione a vuoto, con carico e con carico linearizzato è limitata a frazioni di dB (difficilmente udibile anche con il rumore rosa).

L’Unico 100 pilota il diffusore nel modo più corretto fornendo una tensione di uscita ampiamente indipendente dalla natura del carico e per questo viene utilizzato in fase si progettazione ed ascolto dei diffusori acustici Opera. La soluzione è regolarizzare l’impedenza del diffusore. Le differenze sulla parte bassa dove l’impedenza non viene corretta, possono essere compensate aggiustando la distanza del diffusore rispetto alle pareti.

 

L’Unico 150 prevede la possibilità di modificare la controreazione e si possono ottenere anche valori diversi per il  fattorei di smorzamento. Con i fattore di smorzamento più basso si ottiene una situazione analoga ad un amplificatore a valvole anche se molto meno accentuata. In questo caso il diffusore con l’impedenza compensata riceve un boost di circa un dB tra 50 e 100 Hz. Senza la compensazione dell’impedenza il suono appare più dettagliato ma è solo la conseguenza della attenuazione delle frequenze attorno ai 200 Hz.

Quindi non è un pregio dell’amplificatore ma un suo difetto che provocherà risultati diversi a seconda del diffusore utilizzato: con le Snell suonerà scuro, con le B&W brillante. Insomma la solita sinergia.

 

Amplificatore Unico 100 – diffusore di prova con e senza correzione dell’impedenza. L’Unico 100 presenta un fattore di smorzamento maggiore di 220.  La risposta ai morsetti di uscita dell’amplificatore è ampiamente indipendente dalle condizioni di carico. L’impedenza del diffusore influenza la tensione in modo quasi invisibile ed è molto vicina alla tensione a vuoto (parte blu = tensione a vuoto).

 

Amplificatore: Unico 150. Lo stadio di uscita non è controreazionato ed il fattore di smorzamento vale circa 14. Traccia arancio: tensione ai capi del diffusore di prova con impedenza non compensata. Traccia verde: impedenza compensata. Traccia nera: tensione a vuoto (come la parte blu).

 

 

 

Amplificatore: Simply Italy. Amplificatore a valvole con trasformatore di uscita e retroazione minima. Il fattore di smorzamento  è basso (circa 4.6 con Zout=1.7 ohm circa). Traccia verde: tensione ai capi del diffusore di prova (MAX_1) con impedenza non compensata. Traccia arancio: impedenza compensata. Traccia nera: tensione a vuoto. Lo spettro in blu corrisponde alla traccia verde.

La massima tensione a vuoto è di circa 10.84 Vrms, la corrente in uscita è limitata a 1.11 Amper

Rispetto al carico da 8 ohm si perdono 2 dB (vedere il prossimo grafico) ma quello che conta è che la traccia verde (MAX_1) arriva molto vino alla tensione a vuoto.

 

Il diffusore MAX_1 suona “meglio” con il Simply Italy mentre il suono con l’Unico 100 appare “scuro”. La colpa non è dell’amplificatore ma dell’impedenza del diffusore in combinazione con il fattore di smorzamento dell’amplificatore. Il “vero” suono della MAX_1 è quello ch si sente con l’Unico 100.

 

Quando il suono di un diffusore cambia sensibilmente cambiando amplificatore le cause vanno ricerca prima di tutto nel diverso fattore di smorzamento dell’amplificatore. Se il fattoredi smorzamento è alto (più di 100) anche il cavo può fare la sua parte (se è troppo sottile o troppo lunga).

 

Gli effetti del fattore di smorzamento e della resistenza dei cavi sono misurabili e facilmente prevedibili (basta dotarsi di carta, penna e una calcolatrice scientifica).

Dati il minimo di impedenza del diffusore (per es. 4 ohm) 3 metri di cavo AWG16 e un amplificatore con fattore di smorzamento pari a 10 si procede in questo modo:

 

si calcola l’impedenza del cavo

0.0132 ohm per metro

i metri sono 6 (3+3)

0.0132 x 6 = 0.0792 ohm

si calcola l’impedenza di uscita dell’amplificatore

il fattore di smorzamento (10) è calcolato su  8 ohm

8 / 10 = 0.8

si sommano i due risultati

si ottiene l’impedenza totale vista dai morsetti del diffusore verso l’amplificatore

 0.8 + 0.0792 = 0.8792

A questo punto si vede quanto il cavo influenzi l’ascolto

si calcola il partitore resistivo:

il carico minimo (in questo caso) è 4 ohm

4 / (4 + 0.8792) =

0.819

si calcola il logaritmo in base 10 e si moltiplica per 20

20 x log10 (0.819) =

- 1.72 dB

 

E’ del tutto evidente che, quando il fattore di smorzamento è basso, il cavo diventa meno determinante e apprezzare delle differenze cambiando i cavi è molto meno probabile (specie se si tratta di cavi di buona qualità).

 

Simply Italy (e amplificatori a valvole in generale):

 

analizzando le caratteristiche del Simply Italy si vede che

-          un diffusore da 94 dB a 4 ohm

-          un diffusore da 91 dB a 8 ohm

producono circa lo stesso livello SPL.

 

Carico limite del Simply Italy misurato da Audio Review. La potenza erogata è di 10 Wrms per carichi inferiori a 4 ohm. Non è consigliabile scendere sotto a questo valore.

Quello che conta è la tensione di uscita:

10 watt 8 ohm -> 8.944  -> SPLmax * +10 dB   perde 0 dB

10 watt 6 ohm -> 6.325  -> SPLmax * +8 dB     perde 2 dB

10 watt 5 ohm -> 6.325  -> SPLmax * +8.73 dB perde 1.27 dB

10 watt 4 ohm -> 6.325  -> SPLmax * +7 dB     perde 3 dB

 

 

Altre risposte con altri diffusori

 

 

Simply Italy con Quinta 2011 (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione. Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm. Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

 

 

Simply Italy con con Grand Mezza (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione. Traccia nera: tensione a vuoto. Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm. Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

 

Simply Italy con Quinta 2014 (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione. Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm. Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

 

Simply Italy con Callas 2007 (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione. Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm. Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

 

 

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