Slew rate meccanico dell’altoparlante

di Mario Bon

completamente rivisto il 10 dicembre 2015

 

Lo slew rate è una grandezza misurata in elettronica  che riguarda in particolare gli amplificatori. Lo slew rate di un amplificatore misura la massima variazione della escursione della tensione sul carico e si misura in Volt per micro secondo (V/uS). Lo slew rate non va confuso con il tempo di salita. Il tempo di salita si misura in regime di piccoli segnali ed è correlato (e ricavabile)  dalla risposta in frequenza del DUT. Lo slew rate  si misura in regime di grandi segnali ed è correlato alla risposta in frequenza ai grandi segnali (normalmente meno estesa della riposta ai piccoli segnali).

 

Slew_rate = DV/Dt     dove V è la tensione sul carico.

 

In meccanica, in presenza di attrito viscoso, la velocità di qualsiasi oggetto in moto immerso in un fluido, risulta superiormente limitata: è il principio su cui si basa il paracadute. L’attrito viscoso è proporzionale alla velocità. Più la velocità cresce e più l’attrito tende a rallentarla. Ad un certo punto la forza di attrito  viscoso uguaglia la forza che muove l’oggetto. Si raggiunge così una condizione di equilibrio e la velocità del DUT non può più crescere. 

 

Il diaframma di un altoparlante è un corpo che si muove immerso in un fluido (l’aria) tra l’altro la forma del diaframma lo rende affatto aerodinamico (affinché trasferisca all’aria la massima quantità di moto).

 

 

Alla frequenza di risonanza del sistema la corrente vale Eg/(Res+RE) e le forze esterne sono controbilanciate solo dalle forze di attrito.

 

Bli = RMS (dx/dt) = RMS v    da cui  vmax = Bli/RMS   (velocità e corrente sono in fase)

 

Fatte le debite sostituzioni, risulta che

 

Velocità_massima = (Eg/BL) (RES/(RES+RE)

 

Ne segue che la velocità massima è direttamente proporzionale a Eg (tensione di pilotaggio) e inversamente proporzionale a BL (come ci si poteva aspettare perché aumentando BL il fattori di merito totale diminuisce e con esso la velocità del diaframma). Eg è limitata dalla capacità del dispositivo di dissipare la potenza elettrica in ingresso.

 

Incidentalmente possiamo notare che quando RES è uguale a RE (Q basso) la velocità massima vale esattamente metà di quello che potrebbe essere con RES >> RE. Ricordiamo che RES+RE è il valore dell’impedenza elettrica Zmax alla risonanza del sistema.

  

Negli altoparlanti le perdite sono rappresentate dal Q meccanico nel quale si fanno rientrare tutte le componenti di attrito viscoso compresa la parte resistiva dell’impedenza di radiazione quindi, in prima istanza, tanto è maggiore il Q meccanico (RES grande), tanto più l’altoparlante potrà raggiungere velocità elevate il che significa anche  raggiungere escursioni più elevate ed  estendere la propria risposta sia verso l’alto che verso il basso. Per tale motivo si preferiscono i tweeter con ferrofluido a bassa densità o senza ferrofluido. Quando RES è molto maggiore di RE  => Velocità_massima = (Eg/BL).

Per un woofer il problema della riproduzione delle alte frequenza è meno importante sia per la presenza del filtro passa basso ma soprattutto perché la velocità del diaframma (a parità di SPL prodotto) si riduce di quattro volte per ogni raddoppio della frequenza.

 

Per un altoparlante interessa la massima variazione di spostamento nell’unità di tempo v = Dx/Dt   

Questa coincide con la velocità dell’apparato mobile. Dato che, per un altoparlante, il dato più significativo è  lo spostamento volumetrico, definiamo come Slew Rate Meccanico la velocità di volume massima che l’altoparlante è in grado di fornire.

SRM = SD Dx/Dt  = SD (Eg/BL) (RES/(RES+RE)

Dove SD è la superficie di radiazione e velox la velocità del diaframma (o dell’apparato mobile)

 

Fin qui si è detto che esiste una velocità limite e che raggiunta tale velocità è inutile aumentare la forza che spinge il diaframma perché, tanto, la velocità non aumenterà. Vediamo come misurare una eventuale limitazione da SRM. Cominciamo con il dire che lo SRM è diverso dallo SR di un amplificatore: lo SRM dipende dalla frequenza perché la velocità dipende dalla frequenza. In più anche SD può dipendere dalla frequenza (break up della membrana)  In oltre nell’altoparlante la linearità di BL o delle sospensioni possono provocare un aumento non tollerabile della distorsione prima di raggiungere il limite dello SRM.

Per questo motivo si presta più attenzione alle non linearità che allo SRM (che comunque esiste e va evitato).

 

La misura di SRM può essere fatta in questo modo:

-          si posizione l microfono nel campo vicino dell’altoparlante

-          si invia uno stimolo di una certa ampiezza

-          si misura la risposta in frequenza.

-          a parità di condizioni si aumenta l’ampiezza dello stimolo

-          si misura la nuova risposta in frequenza

 

Se lo stimolo è stato aumentato a passi di 3 dB tutte le risposte in frequenza ottenute devono essere traslate di tre dB una dall’altra. Ove ciò non avvenga le cause possono essere:

 

-          compressione termica  (riscaldamento della bobina mobile)

-          compressione meccanica (limitazione da SRM)

 

Sia la compressione termica che la compressione meccanica sono accompagnate da produzione di distorsione armonica. La rivista tedesca Stereoplay esegue questo tipo di misura e riporta, nello stesso grafico, sia la risposta in frequenza misurata a 85.90.95 e 100 dB che la relativa distorsione THD.

 

 

Nella misura qui sopra non si vedono segni di compressione

 

in questa misura si nota un effetto di compressione nella curva rilevata a 95 dB e ancor più in quella a 100 dB. tra 80 e 500 Hz (si tratta di un due vie).