Distorsione e piccoli segnali

MB – 16 maggio 2019

MB – rivisto il 17 giugno 2021

La teoria, ma anche la pratica, dice che la distorsione (armonica e di intermodulazione) aumenta all'aumentare del livello dello stimolo applicato. In effetti è quello che ci si aspetta ma ci sono anche delle eccezioni. La prima riguarda gli amplificatori in classe B su carico resistivo, la seconda riguarda i woofer (o gli altoparlanti in generale).

Prendiamo per esempio queste due misure di distorsione pubblicate parecchio tempo fa da Audio Review. Rappresentano la distorsione armonica dello stesso diffusore acustico misurata a 90 e a 100 dB (l'unica cosa che cambia è il livello). Si vede che nella rilevazione a 100 dB le armoniche di ordine quarto e quinto sono praticamente scomparse. In particolare non c'è più traccia della quarta armonica. Anche il tweeter presenta meno distorsione di seconda armonica (rosso) al livello più alto.

Se ciò avviene è perchè la caratteristica delle sospensioni degli altoparlanti presenta delle irregolarità nell'intorno del punto di equilibrio testimoniate dalla presenza delle armoniche superiori. Ai bassi livelli di riproduzione. Quando l'ampiezza della oscillazioni diventa "grande" tali irregolarità diventano trascurabili (sempre che la caratteristica continui a seguire una retta).

Da qualche anno Audio Review pubblica solo il grafico relativo alla misura a 90 dB per cui questo fenomeno non è più stato evidenziato.

Tipo di caratteristiche che potrebbe produrre un tasso di distorsione armonica maggiore a basso livello.

la figura qui sopra mostra la caratteristiche di una sospensione che presenta delle anomalie in prossimità dello zero (punto di equilibrio) e la tipica caratteristica di un amplificatore in classe B. Se l'elongazione della sospensione è minore di 1 la forza risulterà fortemente non lineare, se invece l'elongazione della molla arriva a 5 la parte non lineare diventa piccola rispetto alla elongazione totale.
La figura che segue mostra la caratteristica di un woofer con molti difetti (a sinistra) e la caratteristica di un radiatore passivo di buona qualità (a destra).

le figure sono tratte da documentazione Philips ELCOMA

Quella particolare forma a fuso della caratteristica indica la presenza di isteresi. L'area compresa all'interno della curva rappresenta il lavoro dissipato durante un ciclo. L'isteresi, quando c'è, è sempre presente a qualsiasi livello dello stimolo.

Le ultime due figure mostrate riguardano altoparlanti in aria (senza carico). Quando l'altoparlante viene montato in cassa chiusa, alla elasticità delle sue sospensioni si somma quella della molla costituita dal volume della cassa che, specie se riempita di assorbente, si può considerare lineare. Più il contributo lineare (del volume) è importante (volume piccolo rispetto alla VAS) tanto minore sarà la distorsione non lineare. In sostanza la presenza del volume "corregge" le non linearità dell'altoparlante e anche l'isteresi si riduce.

Dal punto di vista della linearità il sistema migliore è il reflex con attivo soppresso quindi il reflex e la cassa chiusa e poi tutti gli altri. La qualità si paga spesso in termini di rendimento e ,nel caso del reflex con attivo soppresso, con la riduzione della banda passante..

Altoparlante dinamico in cassa: Supponiamo di poter trascurare l'isteresi per non complicare i calcoli. La non linearità della elasticità (spider e rim) è dovuta alla dipendenza della costante elastica k dallo spostamento. La costante elastica k è l'inverso di Cms. Dato che la forza è F=kx (Legge di Hooke) torna comodo utilizzare k e non Cms. In questo caso k dipende da x quindi la forza vale F=x k(x).

k(x) = k₀+ a x + b x² + c x³ + d x⁴ + ….

k(x) rappresenta il coefficiente elastico dell’altoparlante in funzione dello spostamento x. Questo è lo sviluppo in serie di Taylor di k(x) (isteresi trascurata)

k(x) = k_b + k₀+ ax+ b x² + c c x³ + d x⁴ + …. )

La cassa chiusa aggiunge una componente elastica lineare k_b che si somma a k₀(che è il termine lineare dello sviluppo).

k(x) = k₀ (1+alfa ) + a x + b x² + c x³ + d x⁴ + ….

Indicando con alfa il rapporto k_b/k₀ e raccogliendo risulta che

k₀ (1+alfa ) > k e k₀ (1+alfa ) >> a

Tutto avviene come se i termini non lineari fossero ridotti del fattore (1+alfa) ovvero di 2,3,4 volte o anche più. Di norma k_b è maggiore di k (da 1 a 3 o più). Ora che la componente lineare è k₀(1+alfa) , il primo termine non lineare (a x ) diventa meno importante.

Ne segue che è meglio utilizzare woofer molto "morbidi" in volumi relativamente piccoli e comunque fare in modo che alfa sia sempre maggiore di uno. Dato che nei sistemi reflex, al di sotto della frequenza di accordo, il woofer non è caricato, si tende a rendere le sospensioni del woofer più rigide per evitare che le basse frequenze facciamo muovere il diaframma oltre i limiti consentiti. Avendo a disposizione filtri passa alto digitali estremamente flessibili la soluzione di irrigidire le sospensioni appare acronistica per non dire di peggio. L'errata convinzione di alcuni che il volume delle casse debba essere pari o maggiore della VAS fa il resto (e si realizzano casse enormi con distorsione intrinsecamente alta).