Confronto tra sistemi a tromba e a radiazione diretta

di Mario Bon

modificato il 31 gennaio 2013, rivisto 10 agosto 2015 e 9/4/2019

 

Rendimento e sensibilità sono trattati in altri articoli.

 

L’alta efficienza, a parità delle altre condizioni, è un vantaggio. I problemi dei sistemi a tromba sono principalmente

 

-          Le dimensioni in relazione alla estensione della risposta alle basse frequenze

-          Ritardo di emissione causato dalla lunghezza delle trombe

-          riflessioni tra bocca e gola

-          diffrazione ai bordi

 

La distorsione causata dalla compressione dell’aria va considerata un errore di progettazione.

 

A bassa frequenza l’angolo di una stanza diventa una tromba piana con fattore di direttività Q=8. Ne segue che una tromba per le frequenze basse, per essere vantaggiosa rispetto al semplice posizionamento in angolo, deve avere un Q>8. Alla fine, comunque, tutto si riduce alle solite tre cose

 

-          massimo SPL richiesto

-          massima potenza sopportata dal sistema

-          distorsione

 

Il compromesso migliore, specie per quanto riguarda le  dimensioni è adottare un woofer a radiazione  diretta  ed eventualmente le  trombe per le vie medio alte.

Un woofer non arriva a produrre SPL sufficiente per allinearsi con un driver a compressione dotato di tromba. Ne segue che il modo migliore per utilizzare questi dispositivi è nei sistemi multiamplificati dove il woofer può ricevere più potenza di quella necessaria per le vie alte.

In un sistema con cross-over passivo il driver deve essere attenuato di diversi dB (sprecando potenza). Per questo motivo nei sistemi professionali si impiega la multiamplificazione che consente di usare la potenza là dove serve e di sfruttare i cross-over elettronici con DSP ed il ritardo digitale.

 

 

Confronto tra sistemi a tromba e a radiazione diretta

 

In passato gli amplificatori usavano esclusivamente valvole e la potenza era  limitata. In più i fattori di smorzamento erano bassi (come i valvolari di oggi). Di conseguenza erano necessari sistemi di altoparlanti ad alta sensibilità ed alta impedenza (ovvero con rendimento alto). Con la disponibilità di transisitor e MOSFET e grazie allo sviluppo della Classe D (e simili) oggi sono disponibili amplificatori con potenze di centinaia o migliaia di Watt con fattori di smorzamento molto bassi. Tra l’altro sia i transistor che i MOSFET lavorano meglio con tensioni basse e correnti elevate. Ci si è quindi orientati verso altoparlanti con impedenza minore pilotati da amplificatori più potenti e con maggiore capacità di erogare corrente. Infatti:

 

-          i moderni woofer professionali supportano anche più di 1000 Watt (alcuni fino a 4000)

-          I moderni amplificatori producono oltre 1000 Watt

-          B&C ha prodotto un woofer con impedenza di 1.5 Ohm (Bose aveva realizzato i woofer della serie 901 con impedenza minore di un ohm per connetterne 9 in serie)

 

In campo professionale lo scopo è ottenere un determinato SPL (su una specificata area) riducendo peso ed ingombro. Questo ha portato all'adozione dei  magneti al neodimio che consentono di risparmiare  anche 10 chilogrammi sul peso del singolo woofer

Un amplificatore in classe D, oltre a pesare poco e occupare poco spazio) presenta un rendimento dell' 85% il che consente di aumentare il rendimento complessivo amplificatore+altoparlante.

 

Anche un elevato SPL vale poco se non lo si può mantenere alle basse frequenze. Per ottenere elevato SPL a bassa frequenza l’altoparlante deve spostare una certa quantità di aria quantificata dallo spostamento volumetrico. Lo stesso spostamento volumetrico si può ottenere con una grande superficie che si sposta di poco (trombe ed array) è con una piccola superficie che si sposta molto. In sintesi contano:

 

-          Sensibilità

-          impedenza

-          Massimo SPL riproducibile a bassa frequenza

-          Distorsione

-          Estensione verso il basso

 

Nei concerti dal vivo viene imposto un filtro passa alto a 40Hz per filtrare i rumori a bassa frequenza.

I moderni amplificatori (con fattore di smorzamento elevato) consentono di mettere l'impedenza in secondo piano. Con questi dati si risale allo Spostamento Volumetrico richiesto e si sceglie di conseguenza il sistema più  adatto caso per caso.

Sonorizzare uno spazio all'aperto o in un ambiente chiuso non è la stessa cosa.

 

Nota sugli amplificatori: dato che i transistor sono adatti a lavorare con elevate correnti ma tensione collettore-emettitore bassa si preferisce farli lavorare su carichi bassi. I MOSFET hanno una caratteristica di trasferimento più simile alle valvole e non soffrono di fuga termica per cui vengono spesso preferiti ai transistor. Per ottenere una elevata corrente se ne impiegano un numero in parallelo. Viene sfruttata anche la configurazione a ponte e la classe G.

 

Trombe o non trombe

 

Un diffusore con efficienza elevata è, in linea di principio, sempre preferibile rispetto ad uno a bassa efficienza semplicemente perché richiede un amplificatore meno potente o perché, a parità di amplificazione, consente di riprodurre programmi con fattori di cresta più alti (in particolare con amplificatori allo stato solido).

 

Ciò che limita l’utilizzo delle trombe alle basse frequenze sono sostanzialmente le dimensioni. Ricordiamo che una tromba è un condotto con sezione divergente: la superficie della bocca è maggiore della dimensione della gola.  Uno dei pochi esempi di diffusore commerciale a tromba (comprese le basse frequenze) è il Klipschorn che, come è noto, va posizionato negli angoli di un ambiente non piccolo. Ricordiamo che i modi normali di un ambiente continuano ad esistere anche se si utilizzano i Klipschorn e, da questo punto di vista, la posizione obbligata in angolo non è esente da problemi. Un sistema dove la bocca possiede dimensioni prossime a quelle dell'altoparlante che la alimenta non può essere considerato una tromba ma piuttosto una linea di trasmissione nel qual caso il principio di funzionamento è il ritardo o la risonanza. L'esempio migliore è il "cannone" ideato da Amar G. Bose (dove viene sfruttata la risonanza e l’interferenza).

 

Per capire cosa si può ottenere da un sub woofer amplificato si può far riferimento al sistema Audio Pro con ACE-BASS. A quel tempo venivano utilizzati 4 woofer da 8" della Philips (in reflex) con 9 mm di spostamento per ottenere  120 dB di SPL massimo a un metro a 30 Hz. Oggi sono disponibili woofer di prestazioni molto superiori e amplificatori molto più potenti tanto che lo stesso sistema si potrebbe replicare, senza difficoltà, in meno di metà volume.

 

E’ poi del tutto legittimo ritenere che la qualità intrinseca della riproduzione offerta dalle trombe sia tale da non poterne fare a meno. Ma questa è una questione di gusti. Quello che preme sottolineare è che la tromba per le basse frequenze presenta problemi pratici e commerciali oggettivi e che esistono delle alternative altrettanto valide e meno invasive ovvero più adatte agli ambienti domestici (dove ambienti oltre i 150  metri cubi rappresentano l’eccezione). Il volume medio di un soggiorno domestico di aggira sui 60 metri cubi. 

 

 

L’alta sensibilità è relativa.

 

La qualità della riproduzione in ambiente domestico è caratterizzata dal rapporto tra suono diretto e suono riflesso e ITG nel punto di ascolto. I sistemi a tromba, che hanno una dispersione più contenuta dei sistemi a radiazione diretta, producono, in ambiente, un raggio di riverberazione maggiore e vanno ascoltati ad una certa distanza. Naturalmente è una questione di gusti: chi predilige la prevalenza di suono diretto può tranquillamente portare il punto di ascolto anche a mezzo metro dalla bocca della tromba. Amar G. Bose ha valutato che il rapporto suono_riflesso/suono_diretto (nelle prime file della platea) vale circa 8. In ambiente domestico da 56  metri cubi, con diffusori a radiazione diretta, e punto di ascolto a 2.5  metri, il rapporto  suono_riflesso/suono_diretto è nell’ordine di 5. Nello stesso ambiente  una tromba con fattore  di direttività 10 presenta un rapporto  suono_riflesso/suono_diretto attorno  a 1.5

Questo significa che il punto di ascolto, con la tromba, deve essere spostato molto  più distante dai diffusori. Ne segue che, di norma, un sistema a tromba va ascoltato a distanze maggiore di 4 metri e non è quindi molto adatto ad ambienti "piccoli". In più, con i sistemi a tromba, il risultato in ambiente è più sensibile alla particolare distribuzione del materiale fonoassorbente.

 

La riproduzione dei piccoli segnali.

 

Un diffusore ad alta sensibilità richiede, dall’amplificatore, una tensione di pilotaggio più bassa. Ne segue che un amplificatore in classe AB ha una probabilità più alta di rimanersi nella zona di funzionamento in classe A. Da questo punto di vista l’amplificatore (e non il diffusore) funziona meglio. Con amplificatori in classe A pura il problema non si pone. Invece, se l’amplificatore è in classe B, riducendo l’ampiezza dei segnali (con diffusori ad alta sensibilità)  si mette in evidenza la distorsione di incrocio.

Ne segue che, con diffusori molto sensibili, è meglio utilizzare amplificatori in classe A pura (che sono i meno efficienti) o amplificatori in classe AB ma con un buon margine di funzionamento in classe A.

 

I diffusori più efficienti funzionano meglio con gli amplificatori meno efficienti.

L’ ideale, dal punto della efficienza complessiva del sistema,  sarebbe abbinare un diffusore molto efficiente con un amplificatore altrettanto efficiente.

Gli amplificatori in classe D sono molto efficienti e adatti alla riproduzione delle frequenza basse nei sistemi multiamplificati. I sistemi a tromba vanno quindi abbinati ad amplificatori in classe D. E, per la parte bassa dello spettro la cosa funziona. Sulla parte alta i difetti delle trombe spesso mascherano i difetti degli amplificatori in classe D.

 

L’altoparlante dinamico ha due elementi elastici: il rim (bordo esterno) e lo spider (sospensione interna). Durante il funzionamento entrambi sono sottoposti alla stessa elongazione. Se il rim è realizzato in gomma (naturale, santoprene, butaniene, silicone, neoprene…) è lineare e praticamente privo di isteresi.

Lo spider, generalmente realizzato in tela preformata, è sede di attrito di natura viscosa, strutturale e colombiana. Se lo spider è di qualità insufficiente potrebbero manifestarsi dei problemi nel passaggio nell’intorno dello zero (come negli amplificatori in classe B). A parte tutto questo, per riprodurre un suono ad un certo livello SPL, due altoparlanti, di pari superficie di radiazione, si muovono alla stessa velocità e con lo stesso spostamento. Questo è assolutamente indipendentemente dal loro rendimento o sensibilità (l’unica differenza è la potenza necessaria).  In sostanza non ci sono motivi di principio per cui un diffusore ad alta sensibilità dovrebbe riprodurre “più fedelmente ”i piccoli segnali" (o microdettagli che dir si voglia). Spesso è vero il contrario: è noto infatti che i diaframmi “leggeri” suonano peggio dei diaframmi pesanti. Basta valutare la massa per unità di superficie dei woofer professionali per rendersi conto che si sta andando verso diaframmi sempre più pesanti con fattori BL sempre maggiori.

 

La figura mostra il segnale prodotto da un amplificatore in Classe A e in Classe B su carico resistivo. Nella Classe A i dispositivi di uscita sono sempre accesi (in conduzione) e non si osservano discontinuità nella caratteristica di trasferimento. Nella classe B la transizione avviene nell’intorno dello zero (su carico resistivo).

Negli amplificatori in Classe AB (su carico resistivo) la transizione da A a B avviene quando il segnale supera una certa soglia. Su carico reattivo le transizioni avvengono ugualmente ma a  livelli di tensione diversi. Con la Classe A Dinamica la transizione non avviene perché i dispositivi di uscita sono mantenuti in stato di conduzione (non si spengono mai e restano in regime di funzionamento lineare). Questo riduce l’ampiezza dei segnali di correzione che transitano nell’anello di retroazione. Un ulteriore limite della classe AB è la variazione dell'impedenza di uscita con l'ampiezza del segnale.

 

Nota: gli amplificatori in classe D tendono ad essere molto sensibili rispetto all'impedenza del carico. Questo però avviene per frequenze superiori a 1.2kHz e non riguarda il range di funzionamento di un woofer.

 

Alta sensibilità e Amplificatori a valvole.

 

Supponiamo di prendere un ipotetico diffusore da 4 ohm di impedenza nominale, X dB (2.83V@1m) di sensibilità e con risposta piatta. Colleghiamolo a un altrettanto ipotetico amplificatore  con fattore di smorzamento uguale a 2 su 8 ohm (l’impedenza di uscita vale 4 ohm come il carico). Se siamo molto fortunati e l’impedenza del diffusore è costante (4 ohm), solo metà della tensione prodotta dall’amplificatore raggiunge il carico ed è come se il diffusore avesse 6 dB di sensibilità in meno. Questa appena descritta è la condizione di “adattamento” che garantisce il massimo trasferimento di potenza al carico. Non è però la miglior condizione di funzionamento per il diffusore acustico. La risposta in frequenza di ampli+diffusori, in queste rare condizioni, rimane piatta (fattore di smorzamento costante e impedenza del carico costante). Se non siamo fortunati e il diffusore presenta una impedenza “normale” con i soliti massimi e minimi, otterremo una risposta in frequenza con variazioni nell’ordine di 4-6 dB (ed il carico non sarà adattato). In condizioni meno critiche (fattori di smorzamento fino a  8-10) la risposta in frequenza della coppia ampli+diffusore presenta variazioni nell’ordine del dB. Con un fattore di smorzamento nell’ordine di 100 le variazioni di risposta in frequenza risultano trascurabili anche con carichi non a norma..

L’alta sensibilità viene evocata anche per poter utilizzare i monotriodi che sono ottimi amplificatori ma adatti per pilotare diffusori con impedenza alta e, soprattutto, estremamente regolare (per esempio gli isodinamici, AMT e nastri). Lo stesso discorso vale a maggior ragione per gli OTL che presentano impedenza di uscita  ancor più elevata (fattori di smorzamento  minori di uno).

I diffusori acustici commerciali sono progettati per essere pilotati da amplificatori con fattore di smorzamento elevato (minimo di 20 su 8 ohm meglio se superiore) e non si vede come possano “suonare meglio” se pilotati da un generatore di corrente (a meno che non presentino impedenza costante). In realtà sarebbe bello poter pilotare un diffusore in corrente (specie per un diffusore con altoparlanti dinamici) ma deve essere un diffusore progettato ad hoc. Se un diffusore suona meglio quando pilotato da un amplificatore con basso fattore di smorzamento significa che,  in qualche modo, i “difetti” dell’amplificatore e del diffusore si compensano (la sinergia tra dispositivi è la compensazione reciproca dei rispettivi difetti).

 

Trombe per le basse frequenze in ambiente chiuso

 

Ogni ambiente parallelepipedo ha 8 trombe naturali: una per ogni angolo.  Ciascuna di queste trombe piane presenta Q=8.

Ha senso mettere una tromba dentro ad un’altra tromba?

Sembrerebbe più logico sfruttare le  “trombe” naturalmente presenti negli ambienti  domestici senza ulteriori complicazioni (visto che una sorgente in angolo eccita tutti i modi normali). Va anche notato che se una tromba presenta un Q superiore a 8 e viene posta all'interno di un'altra tromba con Q minore o uguale a 8 la radiazione della tromba non cambia (a meno che la dispersione della tromba sui piani verticale ed orizzontale sia molto diversa).

 

La tabella di confronto

 

Nella tabella che segue sono elencate le differenze tra un sistema a tromba e un sistema a radiazione diretta. Con questo non si vuole dimostrare che uno è superiore all’altro ma mettere in evidenza le caratteristiche peculiari dei due sistemi. Il limite di 95 dB scelto per definire un sistema ad alta sensibilità, dipende dal fatto che, attualmente, non sono reperibili tweeter dinamici a radiazione diretta (con flangia piatta) con sensibilità superiore (lasciando da parte i trasduttori AMT e dei tweeter a nastro che arrivano anche oltre i 100 dB).

 

 

Tromba

Radiazione diretta

Sistema

tutto trombe

l’altoparlante deve essere caricato sui due lati: almeno uno è caricato a tromba l’altro può essere cassa chiusa, reflex, linea di trasmissione o tromba

 

 

Tutti altoparlanti dinamici a radiazione diretta

Cassa chiusa, reflex in generale i sistemi dove l'altoparlante emette da un solo lato

Woofer a radiazione diretta + mid e tw a tromba

Sensibilità

I driver commerciali arrivano a 114 dB

con 2.83Vrm/1m - con DI tipici di 12-14 dB

Un woofer professionale arriva a 94-96 dB. I woofer per alta fedeltà arrivano a 92 dB

Woofer

tipicamente da 10” a 21” con Qt basso (esistono woofer da 24” e 30”)

Tipicamente da 5”a 15”,

con ampio spostamento (fino a 50 mm picco-picco)

Costruzione

Complicata

Semplice o relativamente semplice

Allineamento centri acustici

Ritardi nell’ordine dei millisecondi (circa 5 millisecondi per 1.7 metri)

ritardi anche inferiori al decimo di millisecondo.

Condizione di fase minima

Legata alla possibilità di allineare i centri acustici e minimizzare la diffrazione ai bordi

Nelle trombe la condizione di fase minima è impossibile per le riflessioni gola-bocca.

Diffrazione ai bordi

Può essere minimizzata ma non eliminata

Dimensioni (*)

In funzione della minima frequenza riprodotta

Posizione in ambiente

Angolo e a pavimento

Angolo, pavimento, stand, scaffale

Massimo SPL

Dipende dallo spostamento volumetrico – con le trombe aumenta riducendo la dispersione

Dispersione

Determinata dalle caratteristiche della tromba

Anche omnidirezionale

Numero di vie

Vedi nota (**)

Distorsione (***)

Dipende  anche dal rapporto di compressione

Alcuni sistemi raggiungono  0.1% da 30 Hz in su.

0.1% da 80-100 Hz in su è alla portata dei sistemi migliori

Impedenza elettrica

Qualsiasi impedenza può essere resa costante applicando opportune reti RC ed RLC in parallelo.

Le trombe presentano più picchi di impedenza.

Distanza critica

Sempre più elevata per i sistemi a tromba

Distanza di ascolto

 tipica da 4 metri o più

A partire da  un metro, tipica 2-2.5 metri

Potenza dell’amplificatore

per compensare 10 dB di differenza nella sensibilità serve un ampli 10 volte più potente e/o un punto di ascolto più ravvicinato. Su questo le trombe presentano un deciso vantaggio all’aperto quando l'area di ascolto è limitata

Migliore implementazione

Multiamplificazione con cross-over elettronico e linee di ritardo per compensare il dis-allineamento temporale e correttore  d'ambiente (DRC, Dirac o simile) in ambiente chiuso

 

(*) per una cassa chiusa le dimensioni posso essere scelte per prime e quindi applicare una equalizzazione attiva. Per una tromba le dimensioni sono determinata dalla frequenza minima da riprodurre

 

(**) il numero ottimale di vie per qualsiasi tipo di diffusore è pari  a

-          tre (senza subwoofer)

-          quattro (con subwoofer)

il sub woofer,  idealmente, dovrebbe essere tagliato a 80 Hz e può  arrivar anche a  120Hz. La suddivisione dello spettro in tre decadi è sufficiente a scongiurare la distorsione Doppler.

 

(***)  per esempio:

 

modello

prezzo

Distorsione %

Sens. dichiarata

Sens. misurata

JBL Everest

(Audio Review 293 pag 44)

66000 euro

0.32%.

96 dB

di 94 dB

(Z minima >4 ohm.)

Klipsch Palladium P39F

(Audio Review n 292 pag 50)

22000 euro

0.32%

100 dB

94.4.

(Z minima 2.19 ohm.)

 

Tutte e due (Everest e Palladium) utilizzano woofer a radiazione diretta e, in pratica, non sono classificabili  “ad alta efficienza” o ad “alta sensibilità” perché non superano i 95 dB di SPL a un metro. La Klipsch Palladium P39F presenta un minimo di impedenza a 2.19 ohm che indica una efficienza bassa associata ad una sensibilità medio-alta.

 

Purtroppo il dato di SPL dichiarato non è sempre veritiero. Sarebbe sufficiente dichiarare l'SPL in asse riferito a un metro, l'impedenza e il fattore di direttività.

 

Array di altoparlanti

 

Un array di altoparlanti è costituito da più altoparlanti uguali collegati in serie ed in parallelo. Per esempio un array di 4 altoparlanti può essere realizzato in tre modi diversi:

 

configurazione

BL totale

Z totale

SPL totale in asse

Spostamento Volumetrico

1 altoparlante

BL0

Z0

SPL0

X1

4 altoparlanti in serie

BL=4xBL0

Z=4xZ0

SPL=SPL0

X4

4 altoparlanti serie-parallelo

BL=2xBL0

Z=Z0

SPL=SPL0+6dB

X4

4 altoparlanti in parallelo

BL=BL0

Z=Z0/4

SPL=SPL0+12dB

X4

 

Come si vede l'array di altoparlanti consente di aumentare l'SPL e lo spostamento volumetrico e anche di gestire l'impedenza del sistema. Il prezzo da pagare è l'aumento della direttività (e dell'ingombro). A parità di SPL prodotto la distorsione si riduce in modo proporzionale al numero di altoparlanti impiegati. Per aumentare la dispersione si possono utilizzare i filtri passa  basso progressivi. Per semplificare la  realizzazione si possono adottare le configurazioni equivalenti con  un numero  inferiore di altoparlanti equivalenti.

 

 La  tabella  che  segue  mostra le  caratteristiche di 3  array regolari di altoparlanti uguali:

configurazione

BL totale

Z totale

SPL totale in asse

Spostamento Volumetrico

4 altoparlanti serie-parallelo

BL=2xBL0

Z=Z0

SPL=SPL0+6dB

X4

9 altoparlanti serie-parallelo

BL=3xBL0

Z=Z0

SPL=SPL0+9dB

X9

16 altoparlanti serie-parallelo

BL=4xBL0

Z=Z0

SPL=SPL0+12dB

X16

 

 

Breve Glossario:

 

SPL: significa Livello di Pressione Sonora. Il livello è il valore efficace della pressione acustica espresso in decibel (decimi di Bell, dB) rispetto alla pressione di riferimento (20 micro Pascal pari limite di udibilità a 1000 Hz).

Dato che non esistono tweeter dinamici a flangia piatta che producono più di 95 dB con 1 Watt, è opportuno fissare questi limiti:

sensibilità molto alta

Maggiore di 100 dB

Meno di 10 watt

Trombe

sensibilità alta

Compresa tra 95 e 100 dB

33-10 Watt

Radiazione Diretta

sensibilità medio alta

Compresa tra 90 e 95 dB

100-33 Watt

Radiazione Diretta

sensibilità normale

Compresa tra 87 e 90 dB

100-200 Watt

Radiazione Diretta

sensibilità bassa

Compresa tra 84 e 87 dB

200-400 Watt

Radiazione Diretta

Sensibilità molto bassa

Minore di 84 dB dB

>400 Watt

Radiazione Diretta

La terza colonna indica la potenza dell’altoparlante necessaria per riprodurre lo stesso livello SPL di picco di 113 dB a due metri con due diffusori in funzione (in ambiente). In generale diffusori da 87-90 dB abbinati ad amplificatori da 50-100 watt sono adeguati per le esigenze di sonorizzazione domestica (in ambienti 20 metri quadri).

 

Sensibilità: la sensibilità di un altoparlante o di un sistema di altoparlanti  è il livello SPL (riferito ad un metro di distanza) che il dispositivo produce quando  riceve in ingresso uno stimolo di 2.83 Volt RMS (1 Watt su 8 ohm). Il segnale utilizzato per questa misura di solito è rumore rosa a banda limitata (per esempio da 200 a 10000 Hz o da 500 a 5000 Hz). Alcuni utilizzano il fonometro con pesatura B (Stereophile). La misura di sensibilità eseguita ad una unica frequenza ha poco senso. Per questa misura  non  deve essere  utilizzta lapesatura A.

 

Fattore di cresta: è il rapporto tra il valore di picco ed il valore RMS di un segnale in un intervallo di tempo specificato.  Per esempio: un amplificatore da 100 Watt su 8 ohm produce sul carico una tensione di 40 Volt di picco (80Volt picco-picco). Se il fattore di cresta del segnale vale 3 (9.54 dB) significa che il valore RMS del segnale vale 40/3=13.33 Vrms che corrisponde a 22.22 Watt continui su 8 ohm. Ne segue che, quando il fattore di cresta del programma musicale vale 3, si utilizza meno di un quarto della potenza continua dell’amplificatore per aumentare il livello SPL del suono mentre si sfrutta la restante potenza per riprodurre i picchi del segnale.

Supponiamo di avere un diffusore che produce 90 dB SPL a 1 metro con 2.83 Vrms (ovvero due diffusori sempre da 90 dB SPL ma con punto di ascolto a 2 metri)

 

Potenza

Tensione di picco

Fattore di cresta

Vrms

SPL in dB

 

Pressione di picco

(campo diretto)

100 Watt

40

3

13.33

90+13.46=113.4

90+23=113 dB

100 Watt

40

4

10     

90+10.86=100.86

+113 dB

100 Watt

40

5

8       

90+9 =99

+113 dB

100 Watt

40

6

6.66   

90+7.4=97.4

+113 dB

100 Watt

40

8

5         

90+4.9=94.9

+113 dB

100 Watt

40

10

4          

90+3=93

+113 dB

 

Dalla tabella si evince che:

-          il valore della pressione di picco dipende dalla massima tensione disponibile (90+23=113 dB)

-          il livello SPL dipende dal fattore di cresta. Per FC=4 l’SPL risulta di 90+10=100 dB

 

ne segue anche che più il fattore di cresta è alto più il livello SPL, in assenza  di clipping) diminuisce. Supponiamo ora di avere un diffusore da 100 dB di sensibilità, basterà sommare alle ultime due colonne 10 dB.

Se invece cambia la potenza dell’amplificatore si dovrà ridurre di 3dB per ogni dimezzamento della potenza o aumentare di 3 dB per ogni raddoppio. Se l’amplificatore eroga 10 Watt anziché 100, il valori vanno ridotti di 10 dB.

Ne segue che (alla stessa distanza di ascolto):

 

 

Diffusore da 90 dB con ampli da 100 Watt

 

Stesso SPL

di

 

Diffusore da 100 dB con ampli da 10 Watt

 

 

Lo spostamento volumetrico dei due sistemi è esattamente lo stesso. La pressione di picco consigliata nel punto di ascolto è compresa tra 110 e 115 dB e si ottiene a due metri con un diffusore da 90 dB e un ampli da  100 Watt/8ohm (il modello Opera Prima 2015 produce 91.5 dB con 2.83 Vrms/1metro)

Statisticamente le registrazioni migliori presentano fattori di cresta maggiori di 5 (fino a oltre 20). Succede anche che, a parità di potenza applicata:

 

 

Diffusore da 90 dB a  2 metri

Stesso SPL

di

 

Diffusore da 100 dB a  6.32 metri

Quindi in un grande  ambiente con punto di  ascolto "lontano" è necessario un sistema efficiente,  in un ambiente domestico con punto di ascolto a  du metri basta un  sistema  meno efficiente                  . 

 

Rendimento: in italiano è sinonimo di efficienza. Per un qualsiasi processo che produca lavoro il rendimento è il rapporto tra la potenza attiva prodotta e la potenza attiva consumata per ottenerla. Il rendimento è una grandezza adimensionale e si esprime in parti per cento ed è sempre minore del 100% (vds Secondo Principio della Termodinamica). Le “macchine” con il rendimento più alto sono i trasformatori elettrici (anche oltre 99%).

 

Rendimento di un altoparlante: è il rapporto espresso in percentuale tra la potenza acustica emessa e la potenza elettrica consumata per ottenerla. Tipicamente vale meno dell’8% per gli altoparlanti dinamici (circa 1% per HiFi, circa 3% woofer professionali con 6-8% come limite massimo) e vale tipicamente il 15% per i driver a compressione dotati di tromba. Il rendimento non va confuso con la sensibilità. Un altoparlante può essere molto sensibile ma poco efficiente o molto efficiente e poco sensibile. Quindi, per essere giudicato “ad alta efficienza” un sistema deve

 

-          produrre un elevato SPL

-          presentare impedenza elevata

-          presentare un Q=1

 

Per esempio 103 dB,  8 ohm con Q=1 corrisponde ad un rendimento  al limite delle possibilità teoriche

Mentre 114 dB, 8 ohm con Q=13 è tipico di un driver a compressione.  In generale, dato che si fa esplicito riferimento al livello SPL prodotto, è più corretto parlare di “alta sensibilità”.

 

Xmax: massimo spostamento lineare del diaframma di un altoparlante. Se l’escursione supera Xmax l’altoparlante distorce in modo udibile. Xmax è pari alla metà dell’escursione lineare picco-picco Xpp. In HiFi lo spostamento picco picco è parial  modulo della  differenza dell'altezza della bobina mobile  e dell'altezza  dell'avvolgimento della  bobina. In ambito professione è del  10 o 15% maggiore  (perché si accetta una  distorsione maggiore).

 

Superficie di Radiazione SD: l’effettiva superficie radiante dell’altoparlante (sempre minore del diametro nominale che si riferisce al diametro del cestello).

 

Spostamento Volumetrico: è il massimo volume di aria che l’altoparlante riesce a spostare ed è pari al prodotto della superficie di radiazione SD per lo spostamento di picco Xmax (spostamento volumetrico di picco).

 

Overhung: quando la bobina mobile è più lunga del traferro (over = sopra).

 

Underhung: quando la bobina mobile è più corta del tra ferro (under=sotto). La distorsione è più bassa ma anche BL è inferiore e la distorsione aumenta molto non appena la bobina esce dal traferro.

 

Tempo di integrazione (dell’orecchio): è l’intervallo di tempo utilizzato dall’apparato uditivo per analizzare il suono. Questo intervallo non è costante: dipende da individuo a individuo e cambia anche a seconda del “suono” da analizzare (più breve per il parlato, più lungo per la musica) . In letteratura viene definito tra 35 e 100 milli secondi. Ciò che è certo è che l’effetto eco si manifesta quando il ritardo tra suono diretto e suono riflesso supera i 100 milli secondi (cosa che consente di fissare il limite massimo del tempo di integrazione a 100 mS circa). 

 

Fattore di direttività:  indicato in la lettera Q. L'indice di direttività DI è 10log(Q). Q indica il rapporto tra la superficie dove irradia una sorgente e la superficie della sfera.  DI indica la differenza di SPL tra una sorgente caratterizzata da Q e una sfera pulsante che emette la stessa potenza acustica.

Se prendiamo una sfera pulsante (perfettamente ominidirezionale) e concentriamo la sua radiazione in mezo spazio in quello spazio misureremo una potenza doppia rispetto a quella misurata sulla spazio intero. In realtà la potenza a custica emesse è sempre la stessa ma viene concentrata su uno spazio minore. Quindi il rendimento è lo stesso mentre l'SPL aumenta. Il fattore di direttività tiene conto di questo fenomeno: riducendo l’angolo su cui viene emessa, la potenza acustica aumenta sino a 9 dB quando la sorgente è posta in prossimità della confluenza di 3 pareti. Il livello SPL, invece, aumenta di 18 dB (grazie alle sorgenti virtuali generate dalle pareti).

In base a questo, un normale woofer da 90 dB, posto alla confluenza di 3 pareti, acquista una sensibilità fino a 108 dB ma non è corretto dire che il suo rendimento aumenta di 4 volte. Se questa concezione di efficienza fosse corretta un sistema con efficienza del 20% sullo spazio intero, posto alla confluenza di tre pareti, avrebbe una “efficienza” del 20x8=160% (che non è possibile).

Riducendo l'angolo la potenza irradiata viene concentrata in uno spazio minore. In quello spazio la potenza acustica aumenta come indicato in figura.

 

 

La tromba è un dispositivo passivo. Essendo un dispositivo passivo non può produrre un incremento di energia. Ne segue che,  in una tromba, l’energia che esce dalla bocca non può essere maggiore di quella che entra nella gola  (ammettendo perdite nulle). Una tromba non può essere rappresentata con un trasformatore (se non a frequenze talmente basse da non essere di interesse). L'altro fenomeno che si osserva è il miglior accoppiamento tra la gola e il carico dell'aria alla bocca. Questo aumenta l'estensione della risposta verso le basse frequenze. In sostanza il rendimento viene mantenuto su un range di frequenze superiore. Allora perché di dice che l’efficienza di una tromba è maggiore di quella di un altoparlante a radiazione diretta? Semplicemente perché lo è. Quello che si contesta sono i valori di questa efficienza che appaiono esagerati (e superiori ai limiti teorici).

Uno dei modi per esagerare il valore dell'efficienza dei sistemi a tromba è integrare l'intensità solo sulla superficie dove la radiazione della tromba è diversa da zero. Senza contare  che,  di default, quando si parla di trmbe il rendimento viene arbitrariamente  moltiplicato per due (Beranek).

 

 

Indice di direttività:  è pari a 10 log(Q) dove Q è il fattore di direttività.

L’indice di direttività esprime di quanti dB si deve aumentare la radiazione di una sfera pulsante lungo la direzione di misura per ottenere lo stesso SPL prodotto da una sorgente in esame (a parità di potenza acustica emessa). In sostanza se una tromba con indice di direttività pari a 12 fosse una sorgente omnidirezionale produrebbe un SPL in asse 12 dB più basso. Ergo se una tromba produce 110 dB in asse con indice di direttività pari a 12, tolta la tromba, produrrà in asse 98 dB (su una banda passante meno estesa). Ricordiamo che oggi sono disponibili tweeter a cupola con flangia piatta che producono 95 dB (rendimento 3% circa) e nastri e AMT in grado di raggiungere 100 dB (rendimento 10% circa, sempre con flangia piatta).  Quindi i driver a compressione hanno effettivamente un rendimento maggiore ma non così alto come si vuol far credere.

 

______________  fine Glossario