Scelta del Wooer

MB - 4 dicembre 2017, aggiornato 22 agosto 2019

Partiamo tenendo presente le note più basse prodotte da alcuni strumenti:

16.35 Hz	Primo Do della pedaliera dell’organo
27Hz	Primo La della tastiera del pianofrte
32Hz	Primo DO della tastiera dell’organo
40 Hz	Mi del contrabbasso e basso elettrico
80 Hz	MI basso della Chitarra e limite inferiore della voce.

In HiFi la riproduzione dovrebbe iniziare a 16 Hz per tenere conto della prima nota della pedaliera dell'organo.

Il woofer è l’altoparlante destinato alla riproduzione della parte bassa dello spettro audio. In genere un buon diffusore riesce a riprodurre i 40 Hz. Alcuni sistemi, in ambiente, arrivano anche più in basso. Se si desidera maggiore pressione o maggiore estensione si ricorre al sub-woofer.

Molti mini-diffusori (classificati HiFi) fanno fatica a riprodurre i 60 Hz. Evidentemente non sono diffusori adatti per chi ama la grande orchestra o la musica per organo.

Di norma il “motore” (complesso magnetico) di un woofer è di tipo overhang anche se attualmente esistono underhang capaci di spostamenti fino a 36 mm picco-picco.

Il woofer è caratterizzato dalla superficie di radiazione (SD) e dal massimo spostamento lineare dell’apparato mobile (Xmax o Xlin). Questi parametri determinano lo spostamento volumetrico SV (pari al prodotto della superficie per lo spostamento di picco Xmax). Più lo spostamento volumetrico è alto e più il woofer può emettere livelli SPL alti a bassa frequenza. Benché i sistemi reflex consentano di aumentare l'SPL attorno alla frequenza di accordo e la linea di trasmissione consenta di estendere la banda passante verso il basso (di mezza ottava) come riferimento si prende la cassa chiusa.

Lo scopo delle trombe è concentrare la potenza acustica su un’area limitata (ottenendo così un aumento del livello SPL su quell’area). Si usavano in passato ora (anche nei concerti all'aperto) non vengono più usate perché sono troppo ingombranti (piaccia o non piaccia sono state sostituite dagli array di altoparlanti).

In modo abbastanza schematico possiamo dividere la banda audio in tre sottobande

basse	<200 Hz	A queste frequenze l’orecchio umano è poco sensibile e poco selettivo. Tuttavia possiamo percepire la differenza tra due toni a 100 e 101 Hz (1%).	Fino a 4000 Hz lavora 2/3 delle cellule ciliate e possono essere discriminate circa 1000 frequenze diverse da 20 a 4000 => 1000 frequnze
medie	200 - 4000	l’orecchio è sensibile e selettivo
alte	>4000	Oltre i 4000 Hz la nostra capacità di discriminare frequenze peggiora notevolmente (bassa selettività). L’orecchio è sensibile ma poco selettivo	Oltre 4000 Hz lavora 1/3 delle cellule ciliate e possono essere discriminate circa 500 frequenze diverse Da 4000 a 16000 => 500 frequenze

Il rapporto della frequenza tra due note separate da un semitono vale la radice dodicesima di 2 pari a 1.059… ergo l’alterazione percentuale dell’intonazione tra una nota ed il semitono successivo vale circa il 6% (che rientra nei nostri limiti di discriminazione della frequenza). La JND per la frequenza da 20 a 4000 Hz (tastiera del pianoforte) è inferiore al 6%. Le note non si estendono oltre 4000 Hz circa perché la differenza diventa difficilmente percepibile (meno cellule ciliate).

Le differenze di qualità sonora imputabili al woofer (se non è tagliato sotto i 200 Hz) sono facilmente percepibili e sono causate :

- dalla risposta in frequenza

- dal tipo di carico (sospensione, reflex, ecc.)

- dalle risonanze del cabinet

- dalle riflessioni interne al cabinet (mascheramento)

- dalla distorsione di intermodulazione

- dal materiale del cono (la differenza tra carta e alluminio si sente chiaramente)

- dallo slew rate meccanico (anche se poco citato).

Lasciamo da parte l’ambiente e i modi normali. Una risposta in frequenza sottosmorzata e la presenza di risonanze nel cabinet provocano code sonore persistenti che diminuiscono la Chiarezza della riproduzione (basso poco articolato o monocorde). La distorsione eccessiva, benché a quelle frequenze l’orecchio sia abbastanza tollerante, può produrre la sensazione del raddoppio della frequenza della fondamentale. Non è difficile, oggi, realizzare un ottimo sistema di riproduzione delle basse frequenze utilizzando woofer di produzione corrente (in un sistema a più vie). Buona parte delle limitazioni di un sistema a 2 vie si attenuano utilizzando la configurazione a “2 vie e mezza” (due woofer in parallelo con frequenze di passa basso differenziate) e ancor più adottando i filtri progressivi.

Discorso diverso, invece, va fatto per i mid-woofer ovvero i woofer che devono riprodurre anche le frequenza medie (dove l’orecchio è sensibile e selettivo). In questo caso la distorsione di intermodulazione in gamma media prodotta dalle escursioni del woofer è facilmente riconoscibile (non solo come perdita di Chiarezza ma anche come fatica da ascolto).

La realizzazione di un sistema a due vie e due altoparlanti richiede un woofer di caratteristiche eccellenti. Tra le altre cose, in un sistema a due vie, il woofer si trova a riprodurre quasi due decadi il che lo espone anche alla distorsione Doppler. Per limitare l'escursione si può adottare il caricamento in reflex abbinato ad un filtro elettronico passa alto.

Quindi utilizzi diversi portano a scegliere woofer molto diversi come prestazioni (e prezzo). Per un sistema a tre vie con taglio sotto i 200 Hz la distorsione prodotta dal woofer non può produrre intermodulazione in gamma media. Contemporaneamente il medio non è soggetto ad ampie escursione e produce meno intermodulazione. Ne segue che, per realizzare un sistema a tre vie, si possono scegliere altoparlanti con caratteristiche meno “spinte” rispetto da un sistema a due vie.

E' importante che la distanza tra i centri acustici di woofer e medio sia almeno inferiore a mezza lunghezza d'onda alla frequenza di taglio scelta (per esempio 200Hz => minore di 86 centimetri).

La stessa considerazione vale per woofer e sub-woofer: non è vero che il sub-woofer può essere posto dove si vuole.

Esiste una precisa relazione tra spostamento volumetrico e minima frequenza riproducibile ad un SPL prefissato. Detto in altre parole un woofer non può produrre qualsiasi livello SPL a frequenza arbitraria. Ad ogni dimezzamento della frequenza, per mantenere lo stesso livello SPL, lo spostamento volumetrico deve quadruplicare. Questa regola vale per il woofer ma anche per il medio ed il tweeter. Raramente se ne tiene debito conto.

SD in cm^2 e Xmax	numero di woofer	Frequenza minima in Hz	Max SPL in dB
SD=130 Xmax=5	1	214	115 su mezzo spazio (picco = 118)
	4	107
	16	53.5
	64	26.75

La tabella qui sopra indica quanti woofer uguali servono per ottenere lo stesso SPL al diminuire della frequenza. Se un woofer da 7” con Xmax=5 mm produce 115 dB a 214 Hz, per ottenere lo stesso livello SPL a 26.75 Hz servono 64 woofer. Quadruplicando Xmax (a 20 mm ovvero a 40 millimetri picco picco) il numero di woofer si riduce a 16. Disponendo di una coppia di woofer da 15” (SD=850) lo spostamento di ciascuno dovrebbe comunque essere di 48.96 mm picco-picco. Si tratta di uno spostamento troppo ampio. Quindi anche due woofer da 15” non sarebbero sufficienti per ottenere 115 dB a 26.75 Hz (il primo LA del pianoforte sta a 27 Hz circa).

Fortunatamente, in ambiente, non è necessario arrivare a 115 dB SPL a 27 Hz perché le pareti contribuiscono non poco all’SPL complessivo (fino a 18 dB). Si possono poi fare altre considerazioni (di tipo energetico).

Supponiamo di avere un sistema di altoparlanti a tre vie con tagli a 200 e 2000 Hz. Ogni via riproduce una decade (ovvero1/3 della potenza di un rumore rosa 20-20kHz). Facciamo riprodurre al nostro diffusore un rumore rosa con banda da 20 a 20000 Hz ad un livello di 115 dB. Per raggiungere 115 dB ogni decade (ogni via) deve riprodurre 4.77 dB in meno. Quanti il woofer riprodurrà un livello 110.23 dB (e lo stesso per medio e tweeter).

Se poi consideriamo altri fattori quali

- il reale contenuto di basse frequenze delle registrazioni

- il fattore di cresta minimo dei programmi musicali

possiamo togliere altri 6 o anche 9 dB. Si arriva così a 102-105 dB circa (come dire che al posto dei 64 woofer visti in tabella ne bastano 16 o 20). Le cose sono passate su un piano più “umano”. Non abbiamo ancora chiamato in causa l'ambiente che potrebbe darci altri 12 dB (in angolo)

Una cosa dovrebbe essere chiara: per migliorare la qualità della riproduzione di un woofer bisogna limitare la sua escursioni. A parità di SPL prodotto, ciò si ottiene solo aumentando la superficie di radiazione (o impiegando più woofer). Impiegare un filtro sub-sonico attivo aiuta. Più la frequenza di passa alto è “alta” e meglio è (ma un sistema HiFi deve riprodurre almeno i 40 Hz).

Più l’ordine del filtro è elevato e più i bassi sembreranno “veloci”. Questa è una caratteristica che piace molto agli audiofili ma, essendo ottenuta limitando la banda passante, deve essere considerata un difetto.

In sostanza per scegliere il woofer di deve determinare (nell’ordine):

- il livello SPL che si vuole raggiungere

- la frequenza più bassa che si vuole riprodurre

- la frequenza più alta che deve riprodurre il woofer

Sarebbe poi opportuno sapere dove sarà posizionato (su stand, a pavimento, in angolo, ecc.). Con queste informazioni sarà possibile determinare lo spostamento volumetrico necessario. Tale spostamento volumetrico si può ottenere con un singolo woofer o utilizzando più woofer collegati in serie, in parallelo o in serie/parallelo (e questo dipende dall’impedenza del sistema che si vuole realizzare).

Una soluzione da non sottovalutare è il filtro passa basso progressivo che consente, utilizzando 4 altoparlanti uguali, di estendere la risposta di almeno una ottava verso il basso mantenendo la dispersione di un singolo woofer.

Nel valutare il massimo spostamento volumetrico si deve tenere conto della larghezza di banda e anche della posizione. Tra una e l'altra si possono guadagnare da 10 a 16 dB.

Scelta del Midrange

Il midrange è l’altoparlante specializzato per la riproduzione della gamma media. Un buon midrange dovrebbe riprodurre le frequenze da 80 a 4000 Hz .

Di norma un midrange ha un diametro nominale che va da 3 a 7 pollici.

Il midrange o medio va scelto con gli stessi criteri che si applicano al woofer ed al tweeter. In particolare lo spostamento volumetrico deve essere compatibile con la minima frequenza riproducibile ed il massimo SPL richiesto. Per quanto riguarda l’estensione verso l’alto, ammesso che la risposta in frequenza e la distorsione siano decenti, si devono considerare due fattori:

il diametro del diaframma	limita la dispersione orizzontale
i break up della membrana	limitano la Chiarezza della riproduzione

La banda passante da affidare al medio dovrebbe andare da 80 a 4000 Hz abbracciando tutta l’estensione vocale e buona parte delle fondamentali del pianoforte.

La scuola inglese restringe questo range tra 300-400 fino a 3000-3500 (banda telefonica) il che consente di ridurre le escursioni del midrange dirottando la maggior parte della potenza al woofer..

I diffusori Opera a tre vie presentano il primo taglio tra 150 e 200 Hz e la transizione con il tweeter avviene attorno a 2000 Hz. I medi utilizzati hanno diametro nominale di 5 o 7 pollici e lo spostamento volumetrico è studiato per mantenere bassa la distorsione di intermodulazione.

Scelta del Tweeter

Il tweeter è l’altoparlante destinato alla riproduzione della parte alta dello spettro. Benché CHARIO disponga di un tweeter che lavora da 1200 Hz in su, di norma un tweeter copre l’ultima decade della banda audio (da 2 a 20 kHz) e spesso anche meno.

Strutturalmente un woofer e un tweeter a cupola differiscono per la forma del diaframma e per il punto di applicazione della forza: nel woofer la forza è applicata vicino al vertice del cono, nel tweeter invece è applicata sulla circonferenza della bobina mobile. Esistono comunque, anche in questo caso, delle eccezioni (Tweeter Focal T120 a cupola rovesciata e cupola e i moderni tweeter circular ring Vifa e Scanspeak.

Il woofer è caratterizzato dalla superficie di radiazione e dal massimo spostamento lineare dell’apparato mobile. Questi parametri portano ad un certo spostamento volumetrico. Più lo spostamento volumetrico è alto e più l’altoparlante può emettere livelli di pressione alti a bassa frequenza. Per un tweeter è esattamente lo stesso.

La differenza sta della definizione di bassa frequenza: per un woofer 30 Hz sono una frequenza bassa per un tweeter le basse frequenze sono quelle da 2000 Hz in giù.

L’apparato uditivo divide la banda audio in tre sottobande: basse frequenze, medie e alte.

Le alte frequenze cominciano a 4000 Hz. La membrana basilare impiega 2/3 della sua lunghezza per “sentire” le frequenze fino a 4000 Hz e il rimanente terzo per “sentire” da 4000 a 20000 Hz. Ne segue che oltre i 4000 Hz l’orecchio è sensibile ma è poco selettivo (il numero di cellule ciliate è la metà di quelle impiegate sotto i 4000 Hz e devono distinguere un maggior numero di frequenze).

Ne segue anche che è più difficile sentire delle differenze di qualità sonora imputabili alla banda acuta. Ne segue ancora che, se un tweeter deve essere utilizzato da 4000 Hz in su, non deve necessariamente essere di qualità eccezionale nel senso che le differenze qualitative tra tweeter diversi, all’ascolto, si assottigliano sempre più al crescere della frequenza di passa alto (sempre presumendo di parlare di tweeter almeno decenti).

Discorso molto diverso, invece, se il tweeter deve essere utilizzato attorno a 2000 Hz dove l’orecchio è sensibile e selettivo. In questo caso la qualità del tweeter è facilmente riconoscibile (specie per le consonanti erre, elle ed esse -> Blesità e sibilanti).

Utilizzi diversi portano a scegliere tweeter molto diversi come prestazioni (e prezzo). Un caso esemplare è la >DQ10 che utilizzava come tweeter un piezoelettrico Motorola.

Lo spostamento volumetrico del tweeter:

SD in cm^2	Xmax in mm	Frequenza in Hz	Max SPL in dB
7	0.1	3994	106.50
7	0.15	3260	106.50
7	0.20	2824	106.50
7	0.40	2306	106.50
7	0.45	1883	106.50
7	0.50	1786	106.50
7	0.60	1630	106.50

La tabella qui sopra indica il massimo SPL ottenibile da un tweeter da un pollice in funzione della frequenza e del massimo spostamento lineare di picco (metà dello spostamento picco-picco).

Per ottenere pressioni elevate (oltre 108 dB) a 2000 Hz serve un Xmax di 0.5 mm. Questo spostamento è praticamente il doppio di quello standard (0.25 mm). Considerando l’attenuazione alla frequenza di cross-over un tweeter così consente di raggiungere agevolmente i 114 dB di pressione di picco.

Un modo per abbassare la frequenza di taglio è quello di usare due tweeter al posto di uno (vedi la “doppietta” impiegata nel modelli Opera Callas e Grand Callas del 2006).

Dalla tabella è chiaro che un tweeter con 0.1 mm di spostamento lineare va usato da 4000Hz in su.

C’è anche un’altra cosa. La frequenza di risonanza del tweeter deve essere almeno due ottave più bassa rispetto alla frequenza di taglio di passa alto. Quindi, per un taglio a 2000 Hz, serve una risonanza attorno a 500 Hz e per un taglio a 4000 Hz basta una risonanza a 1000 Hz.

I tweeter con risonanza a 1000 Hz e 0.1 mm di spostamento lineare sono in genere meno costosi di tweeter con risonanza a 500 Hz e 0.5 mm di spostamento lineare (anche qui con delle eccezioni come i tweeter Scanspeak di gamma alta che hanno uno spostamento lineare basso e costo elevato).

In Opera vengono scelti solo i tweeter che soddisfano alle reali esigenze di spostamento lineare in modo da garantire il massimo SPL su tutta la banda audio riprodotta.

Il filtro passa alto dei tweeter usati da Opera è sempre almeno del secondo ordine questo perché lo spostamento dell’apparato mobile di un altoparlante dinamico aumenta di 4 volte per ogni dimezzamento della frequenza (aumenta di 12 dB per ottava) e quindi l’attenuazione (per mantenere lo spostamento sempre nei limiti consentiti) deve essere di almeno 12 dB/ottava.

Lo spostamento del diaframma quadruplica per ogni dimezzamento della frequenza. Ne segue che un filtro passa alto del secondo ordine è il minimo richiesto per limitare lo spostamento e quindi la distorsione di un altoparlante. Per ridurre effettivamente lo spostamento servono filtri di ordine superiore al secondo.

Questo vale anche per il midrange e per il woofer.

Negli altoparlanti il filtro passa alto riduce drasticamente la distorsione di intermodulazione.

Esistono nomi storici dell’alta fedeltà che utilizzano un solo condensatore per filtrare il tweeter. Il primo (o tra i primi a farlo fu Cisek che però compensò il picco di risonanza, Chi usa un singolo condensatore ritiene che questo sia sufficiente (bisogna anche vedere a quale frequenza è posta la frequenza di taglio).

Spesso, nei data sheet dei tweeter, è indicata la minima frequenza di utilizzo e la pendenza del filtro passa alto. Quasi sempre il filtro consigliato è del secondo ordine o superiore (per i nastri viene indicato un filtro del quarto ordine).