Effetto del fattore di smorzamento: diffusori per Simply

di Mario Bon - 1 aprile 2014 – 4 dicembre 2018 – 21 Aprile 2019- 19 maggio 2020

 

Viene valutato l'effetto del fattore di smorzamento dell'amplificatore di diffusori reali. Sono a confronto ampli a valvole e ibridi (con finali  MOSFET).

 

Effetti del cavo e del fattore di smorzamento.

 

Gli effetti del fattore di smorzamento e della resistività dei cavi non sono solo misurabili ma sono anche facilmente prevedibili (basta la calcolatrice tipo quella di Windows).

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 ohm

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

Con i valori dati l’attenuazione alla frequenza dove si riscontra il minimo di impedenza del diffusore è di 1.72 dB. Togliamo pure mezzo dB (per tenere conto di un massimo di impedenza tra 10 e 20 ohm) e risulta 1.2 dB di attenuazione che è assolutamente udibile. L’attenuazione dovrebbe risultare almeno inferiore a mezzo 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).

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Casse, amplificatori e massimo SPL

 

Per un amplificatore, quello che conta è la tensione garantita sul carico. Consideriamo l’Unico 100. La massima tensione garantita sul carico è quella che l’amplificatore produce sul carico minimo tollerabile che normalmente vale 2 ohm. Nota: se il carico minimo è di 2 ohm significa che la parte reale della impedenza di un diffusore acustico non dovrebbe scendere al di sotto di questo valore.

 

Si parte dalla potenza fornita sul carico minimo (per l'Unico 100 2 Ohm)e si divide per due per ogni dimezzamento del carico:

 

Unico 100 su 2 ohm 500 Watt => +20.95 dB

Unico 100 su 4 ohm 250 Watt => +22.59 dB

Unico 100 su 8 ohm 125 Watt => +23.40 dB

 

L’ Unico 100 va considerato 125 Watt RMS su 8 ohm che consente di ottenere +21 dB di SPL su qualsiasi carico compreso tra 2 e 16 ohm. Sui carichi alti si ottiengono un paio di dB in più.

La potenza impulsiva ha un significato molto relativo ed è meglio fare riferimento alla potenza continua.

 

Diffusori per Simply

Diffusori a bassa impedenza  e amplificatori a valvole.

 

Il fattore di smorzamento minimo per una attenuazione di mezzo dB tra l’SPL massimo ai morsetti di un diffusore a 4 ohm è 16. Ne segue che il valore 20, generalmente indicato, è corretto e nemmeno troppo conservativo.

Tra un woofer a 4 ohm e la sua versione a 8 ohm ci sono circa 2-2.5 dB di differenza in SPL con 2.83Vrms.

Tale differenza viene annullata dal fattore di smorzamento. Se invece si usano due woofer da 4 ohm in serie si mantengono i due dB in più di sensibilità.

 

Risposta di due sistemi di altoparlanti (da 4 e 8 ohm nominali) collegati ad un amplificatore a valvole con 1.7 ohm di impedenza di uscita (mono triodo)

la scala è 2.5 dB divisione. Ci sono quasi due dB di differenza

 

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

 

RapV = ( Z2/Z1 ) ( Z2+Rgen ) / ( Z1+Rgen )

 

La domanda cui rispondere è:

è meglio aumentare l’impedenza o aumentare la sensibilità? Se il fattore di smorzamento è minore di 16 conviene aumentare l’impedenza.

 

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

e alcuni diffusori a bassa impedenza. L’impedenza delle MAX_1 (prototipo con woofer da 12” e tromba) è stata regolarizzata e sono state fatte le misure di confronto (con e senza rete di compensazione dell'impedenza).

 

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.

 

In questo grafico ogni divisione vale un dB.

Simply Italy: variazione della tensione di carico 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.

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 Nota: il Performance produce 40 watt su 8 ohm che corrisponde a +16 dB di SPL max su 4 ohm diventano 13 dB 

 

Simply Italy confronto tra la tensione ai morsetti di uscita con MAX_1 (Viola) ed il diffusore prototipo con 4EA14 (Rosso). Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: tensione con carico resistivo da 8.25 ohm

La 4EA14 Suona un dB sotto alla cassa MAX_1 per effetto della bassa impedenza (più altri 3.4 per la minore sensibilità). La differenza dovrebbe quindi essere attorno a 4.4 dB

Sui carichi alti, la tensione di uscita si avvicina alla tensione a vuoto.

 

Amplificatore: Simply Italy. Traccia verde: tensione ai capi del diffusore di prova (MAX_1) con impedenza non compensata. Traccia arancio: MAX_1 con impedenza compensata. Traccia nera: tensione a vuoto. La parte in blu corrisponde alla traccia verde.

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

Diverso tasso di controreazione (meno variazione ma anche meno tensione)

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: carico resistivo da 8.25 ohm

Traccia arancio: controreazione bassa (spettro blu).

Traccia rossa: controreazione alta (spettro blu).

Performance con Callas 2007. Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia verde: 8.25 ohm

Traccia arancio: uscita 8 ohm

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

 

 

Simply Italy (e amplificatori a valvole in generale):

 

potenza su 8 ohm = 10 Wrms, tensione sul carico = 8.94 Vrms

potenza su 4 ohm = 9.9 Wrms, tensione sul carico = 6.3 Vrms

Impedenza di uscita 1.7 ohm

massima corrente 1.11 Arms tra circa 4 e 10 ohm (poi diminuisce).

Il Simply Italy dispone di una sola coppia di connettori di uscita per una impedenza nominale di 6 ohm (da 4 a 10 ohm di carico)

 

Carico limite del Simply Italy misurato da Audio Review. La potenza erogata è di 10 Wrms per carichi inferiori a 4 ohm. 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

ciò significa che il

 

-          massimo SPL ottenibile su 8 ohm vale 20log(8.94/2.83) = 10 dB in più rispetto SPL0 del diffusore

-          massimo SPL ottenibile su 4 ohm vale 20log(6.3/2.83) = 6.95 dB in più rispetto SPL0 del diffusore

 

In pratica con un carico di 4 ohm l’ SPL ottenibile è 3 dB più basso rispetto ad un carico da 8 ohm. Ne segue che diffusore da 94 dB a 4 ohm e un diffusore da 91 dB a 8 ohm producono lo stesso livello SPL massimo. Vedere Sensibilità ponderata.

 

Simply Italy con una Mezza e con due Mezza collegate in serie per simulare il raddoppio dell’impedenza. Grafico con 1 dB divisione. Traccia nera: tensione a vuoto; Traccia verde: Mezza (4 ohm nominale); traccia rossa: due Mezza collegate in serie (8 ohm). Guadagna 1.5 dB attorno a 200 Hz.

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Simply Italy con Mezza 2012 (4 ohm nominali). Grafico con 1 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

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collegato alla Mezza: carico = Z

collegato a due Mezza collegate in serie: carico = 2Z

Simply Italy: distorsione integrale: si confronta la distorsione con carichi reali di valore uno doppio dell’altro (4 e 8 ohm). La differenza si vede molto bene e sfiora i 10 dB (un fattore 3 come dire passa dall’1% al 3%)

 

sovrapposizone dei grafici di DI precedenti

 

il grafico fa 2 dB per divisione quindi la distorsione al minimo raddoppia (o più)

 

la misura vale fino a 2000 Hz

 

Attenzione: questa è distorsione di intermodulazione udibile.

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Impedenza dalla Grand Mezza

Misurata da Audio Review

 

Il minimo della parte reale vale 3.65 a 87 Hz

 

Il minimo modulo è a 100 Hz circa (80-150 Hz)

Da 1500 Hz in su l’impedenza è  praticamente di 10 ohm e il Simply Italy produce sul carico la tensione per un carico da 8.25 ohm resistivi.

 

 

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Simply Italy 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).

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Simply Italy con Grand Mezza 2012 (4 ohm nominali). Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia rossa: con diffusore (spettro blu).

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Impedenza della Callas 2007 misurata da Audio Review.

 

 

Il minimo della parte reale vale 3.44ohm a 140 Hz

 

Supera i 10 ohm tra 800 e 3000 Hz dove il Simply Italy rimane sol un dB sotto alla tensione a vuoto.

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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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Simply Italy con Callas 2014 con U18 a 4 e a 8 ohm. Grafico con 2 dB divisione

Traccia nera: tensione a vuoto

Traccia Verde: Callas a 8 ohm (prototipo non prodotto

Traccia rossa: Callas a 4 ohm (spettro blu).

Questo case è particolarmente interessante perché la differenza di sensibilità dei due diffusori con 2.83 Vrms è di 2 dB. Con il Simply la cassa a 8 ohm ha un SPL max inferiore di un solo dB quindi è pensabile, visto l’andamento della distorsione del Simply che la versione a 8 ohm suoni meglio e una differenza di 1 dB non è nemmeno facile da sentire.

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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 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).

 

La relazione tra le tensioni prodotte da un ampli non retroazionato su carichi diversi è

 

(V2/V1) = (Z2/Z1) (Z1+ Rgen)/(Z2 + Rgen)

 

se Rgen = 0 il rapporto vale 1 e l’amplificatore è un generatore di tensione ideale.

La differnza di tensione sul carico dipende da Rgen: più è alta maggiore è la variazione. Ne segue che per il Simply (Rgen=1.7) conviene fissarsi su questo aspetto mentre quando il fattore di smorzamento vale da 16 in su la cosa perde di interesse.

 

Amplificatori Ibridi Unico 100 e 150

 

Amplificatore Unico 100 – diffusore di prova MAX_1 con e senza correzione dell’impedenza. L’Unico 100 presenta un fattore di smorzamento maggiore di 220 cge cambia molto poco con la frequenza. 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 (prototipo). Lo stadio di uscita non è controreazionato ed il fattore di smorzamento non è elevatissimo. Traccia arancio: tensione ai capo del diffusore di prova con impedenza non compensata. Traccia verde: impedenza compensata. Traccia nera: tensione a vuoto (come la parte blu).

 

Conclusione

 

Quando il suono di un diffusore cambia sensibilmente cambiando amplificatore la “colpa” è da attribuire:

 

-          al fattore di smorzamento dell’amplificatore

-          un cavo di sezione troppo sottile e molto lungo (resistenza nell’ordine dei decimi di ohm o più)

 

Per valutate il suono di un diffusore acustico bisogna collegarlo ad un amplificatore con un fattore di smorzamento alto e con un cavo a bassa resistenza (per esempio AWG 10 fino a 3 metri di lunghezza). 

 

E’ illusorio pensare di utilizzare un amplificatore a valvole con diffusori a bassa impedenza.

Un ampli a valvole va collegato a diffusori con impedenza alta e regolare.

 

Il Simply Italy è un Amplificatore con impedenza di uscita di 1.7 ohm il che rende molto vantaggioso aumentare l’impedenza dei diffusori.