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INCIDENZA DELLA DIREZIONALITA'
SULLA LINEARITA'.
IL FATTORE DI MERITO,LA DISTORSIONE.
INTRODUZIONE AL CROSSOVER.
C
 i siamo lasciati nella pagina precedente affermando che uno degli aspetti più  critici della diffusione del suono è dato dallarisposta polare degli altoparlanti. Vediamo la curva polare dello stesso altoparlante ma a frequenze diverse, come in figura 1.
50 Hz 
 

1000 Hz 

FIG.1=Si è visto in precedenza il metodo usato per ottenere un diagramma polare come quello qui a fianco: si fa girare un microfono attorno ad un altoparlante. Se usiamo differenti altoparlanti, si hanno diagrammi polari differenti, perchè ciascun modello ha proprie caratteristiche direttive: es. inclinazione del cono, chiusura dei lati con un cestello più o meno coprente... Ma anche se misuriamo la pressione sonora in uscita dallo stesso altoparlante, pilotato tuttavia con due segnali a frequenza differente (ad esempio, 50 Hz e poi 1.000 Hz) ecco che si registrano due diagrammi del tutto diversi. 

In generale, le onde più basse sono le meno direzionali, e "tendono" a diffondersi uniformemente. Le onde più acute invece vengono emesse in modo più direttivo. 

Se pensate che la curva del diagramma polare è costituita dall'aumento della pressione sonora, pare chiaro che l'area racchiusa dalla linea del diagramma è proporzionale all'energia sonora totale prodotta da quell'altoparlante a quella frequenza. In altre parole, la potenza totale emessa non è solo quella che si legge in asse, ma quella emessa in tutte le direzioni. 

I diagrammi polari con un'area maggiore (come quello della figura più sopra) corrispondono dunque ad una emissione di maggior potenza rispetto a quelli con un'area minore, indipendentemente dalla forma più o meno tondeggiante o schiacciata che acquisisce l'area. La potenza immessa nell'ambiente è infatti pur sempre potenza, indipendentemente dalla direzione in cui è emessa! 

 
 
 
Come si vede, si ha un irraggiamento ottimale nella gamma bassa, mentre l'uniformità della diffusione del suono è notevolmente più irregolare alle frequenze più elevate. Questa direzionalità comporta due problemi: 

1-si ha un suono con pressione elevata (più "forte") solo se l'ascoltatore è in asse rispetto all'altoparlante. 

2-la "quantità" totale del suono alle diverse frequenze irraggiata nell'ambiente è diversa. Occorre considerare che nella maggior parte dei casi l'irraggiamento del suono avviene in un ambiente riflettente (la stanza d'ascolto) e che quindi le frequenze emesse fuori asse sono riflesse e vanno all'ascoltatore. Nel consegue che vi è un rinforzo anche in asse delle frequenze emesse in modo maggiormente onnidirezionale, mentre vi è un'attenuazione indiretta (dovuta a mancanza di riflessioni) nella banda acustica caratterizzata da una maggiore direzionalità di emissione (figura 2). 
Questo discorso porta a due nuovi elementi che incidono sulla linearità di un altoparlante. 

Il primo è dato dalla dispersione angolare del suono, il secondo dal tipo di ambiente in cui viene fatto suonare. 

Si è già detto come la dispersione polare incide sulla potenza: in maniera mediata dalle riflessioni del suono. Ma queste riflessioni non sono tutte uguali quando si cambia ambiente. E quindi anche la natura dell'ambiente incide in maniera 
differente anche mantenendo la stessa dispersione polare. In altre parole, una dispersione polare ideale (uniforme) non resta tale cambiando l'ambiente, in quanto cambiano direzione e quantità delle varie riflessioni. Ad esempio, un ambiente può riflettere di più le frequenze acute, un altro può assorbire le frequenze acute e riflettere di più le frequenze medie, e così via. 

Vale naturalmente anche il discorso contrario: mantenendo lo stesso ambiente si ha una differente pressione sonora alle varie frequenze se cambia la dispersione polare dell'altoparlante, in quanto vi possono essere (a parità di riflessione dell'ambiente) frequenze emesse in più direzioni relative ai medi, agli acuti, eccetera. Ambiente e dispersione polare sono dunque due elementi che ambedue partecipano in maniera diversa alla linearità delle riproduzione, ma lo fanno in maniera interdipendente, nel senso che la riflessione dell'ambiente dipende dalla dispersione angolare. 

Se consideriamo la linearità di un altoparlante come la sua capacità di restituire il suono in maniera costante a parità di ingresso (uscita lineare nei confronti della potenza) ecco che si arriva alla seguente conseguenza: 

la linearità di un altoparlante dipende anche dall'ambiente in cui esso viene fatto suonare, e questa caratteristica è mediata dalla sua risposta polare.

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CORSO

FIG.2=Qui si è schematizzato un diagramma polare poco ampio. Ma cosa importa all'ascoltatore posto davanti all'altoparlante se vi è un'emissione in altre direzioni, ad esempio, verso i lati o da dietro? Importa, eccome. Infatti è ben difficile che vi siano degli altoparlanti collocati in un ambiente del tutto assorbente. In genere le emissioni laterali o posteriori vanno a finire contro delle pareti, e vengono riflesse. Quindi, tornano all'ascoltatore sotto forma di altre onde (un poco ritardate rispetto a quelle originarie) che rinforzano la pressione sonora presente nel posto d'ascolto. Nella figura qui accanto, si vede un altoparlante meno direzionale di quello sopra: vi sono più emissioni laterali che però "rimbalzano" verso l'ascoltatore. Un altoparlante con una maggiore direttività compie dunque un'azione di moltiplica della pressione sonora non solo dal punto di vista dell'energia totale emessa (come si diceva per la figura precedente) ma contribuisce ad aumentare il volume del suono anche nel punto d'ascolto davanti all'altoparlante: in B c'è più suono (=più frecce) anche in asse! 

E' chiaro che l'aumento del volume del suono dipende in modo vistoso dalla natura dell'ambiente, ovvero varia a seconda di come e quanto questo ambiente riflette e/o assorbe le onde che arrivano alle pareti. Un oggetto assorbente (schematizzato in figura da "A" ) può evitare ( o più realisticamente ridurre) la riflessione delle onde, e quindi diminuire il volume del suono nella posizione in cui si ascolta, ovvero sull'asse dell'altoparlante. 
 

A 
 
 

FIG.3=Immaginiamo di immettere in un altoparlante un segnale audio che va dalla frequenza più bassa a quella più acuta. Immaginiamo di misurare (punto dopo punto) la distorsione armonica totale (THD) che si rileva a ciascuna frequenza. Si possono riportare i risultati in una curva come quella qui a sinistra. Si vede alle frequenze basse una distorsione molto forte (circa il 5%) che decresce fino ad una certa frequenza (circa 2000 Hz). Da lì in poi non vi sono significative variazioni. Riprodurre i bassi senza distorsione è un'impresa molto difficile, e per questo si usano degli altoparlanti specializzati per la gamma bassa, in modo che il punto oltre il quale la distorsione è minimizzata sia più basso di quel che si potrebbe fare con un altoparlante destinato ad una banda superiore. In altre parole, se un altoparlante per i bassi deve servire un'area tra i 20 e i 500 Hz, potrebbe avere una distorsione bassa a partire dai 100 Hz, mentre un altoparlante a larga banda minimizza la distorsione sopra i 200. Questa non è l'unica ragione che suggerisce l'impiego di altoparlanti specializzati, ma di certo è un vantaggio. Per fortuna l'orecchio è molto meno sensibile alla distorsione riscontrata sulle onde basse che a quella riscontrata su frequenze più elevate. 

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LA DISTORSIONE

Anche la distorsione varia al variare delle varie frequenze. 

Se si sospende un altoparlante e si immette un segnale che passa nel tempo da 40 Hz a 1000 Hz, ecco che si possono misurare alle differenti frequenze dei valori di distorsione armonica totale (THD) come questi: 

40 Hz 50Hz 60Hz 70Hz 100Hz 300Hz 

5% 4% 3% 2,5% 1% 0,2% 

Si può anche vedere che al di sopra dei 300 Hz la distorsione rimane costante fino alle frequenze elevate. Questo fenomeno è stato verificato sperimentalmente, ed è stato attribuito (per la sua sistemazione teorica) alla reattanza della fase magnetica dell'altoparlante, ecc, ma l'importante è constatare che vi è una forte distorsione alle frequenze più basse. Verificando l'andamento della distorsione alle diverse frequenze in numerosi punti, e congiungendo questi punti, si ottiene una curva simile a quella illustrata nella figura 3, nella pagina a fronte. 
 


I TRANSIENTI

I diversi altoparlanti possono seguire più o meno fedelmente i segnali immessi. Per verificare questa loro abilità, si usano delle "onde quadre", sintetizzate da appositi strumenti (generatori di onde quadre) che sono segnali a partenza e fine istantanei, e della durata predefinita, emessi ad un unico livello. Quindi, senza una curva di salita e una di discesa, ma a "tutto o nulla". Questi segnali (per la loro forma) sono chiamati appunto onde quadre.Vedi figura 4, nella prossima pagina. 

Vi sono altoparlanti che: 1-"impiegano" un certo periodo ad essere messi in moto (come nella figura 4) altri che sono più "pronti". 

2-Vi sono anche altoparlanti che (una volta raggiunto un nuovo livello) "smorzano" bene l'oscillazione del cono, altri che proseguono per un periodo maggiore a oscillare. Questo fenomeno accade per tutti i sistemi elastici, e il cono ha (come detto) una classica sospensione elastica. I sistemi elastici tendono a tornare al loro stato originale con una certa "esagerazione" che si stempera con altre oscillazioni al di qua e al di là del loro punto di riposo fino ad assestarvisi. 

Anche qui vi sono altoparlanti ( e sistemi di sospensione, come si vedrà più avanti) in grado di smorzare in modo più o meno efficiente le oscillazioni.

  
 
 
 

IL FATTORE DI MERITO Q

Un dato che viene fornito con gli altoparlanti e che assume un certo rilievo nel definire la qualità della loro riproduzione, è il fattore di merito "Q", legato allo smorzamento. 

E' già stato detto che gli altoparlanti hanno un andamento di impedenza non lineare al variare della frequenza (vedi il "modulo d'impedenza" pubblicato nella puntata precedente). 

Possiamo definire la frequenza di risonanza come quella frequenza in cui la reattanza della massa del cono eguaglia la reattanza dovuta alla rigidità delle sospensioni. E' anche stato detto che si cerca di far cadere la frequenza di risonanza al di sotto della banda caratterizzata dal controllo di massa. Se si ottiene un fattore Q inferiore all'unità (0,6, 0,5...) si evita la condizione in cui il cono oscilla, e quindi si migliora lo smorzamento dell'altoparlante ai transienti esemplificati nel paragrafo precedente (e in figura 4). Un altoparlante smorzato comporta due enormi vantaggi: 

1-non produce frequenze che non esistevano nel programma sonoro originale che si vuole riprodurre. Le oscillazioni generate da un cattivo smorzamento sono infatti a loro volta delle frequenze, che si traducono in suono "inventato" dall'altoparlante, e quindi si ha un programma non fedele all'originale. 

2-ha una minore distorsione, là dove le oscillazioni producono delle armoniche indesiderate. 
 


I SISTEMI MULTIVIA

Proviamo a ricapitolare alcuni elementi che abbiamo visto nel capitolo precedente. 

1-Si è visto che un altoparlante ha una risposta in frequenza lineare solo in una certa banda, e che al di sopra e al di sotto delle frequenze interessate da questa banda soffre di una attenuazione (controllo di massa e controllo di velocità). 

2-Si è visto che un altoparlante ha delle dimensioni ideali diverse a seconda della gamma di frequenze che va a riprodurre 

3-Si è visto che un altoparlante ha una frequenza di risonanza che si dovrebbe far cadere al di fuori della banda che deve riprodurre 

4-Si è visto che un altoparlante ha una banda di frequenza in cui ha una certa risposta polare, mentre salendo e scendendo tra le frequenze si ha una maggiore alterazione... 
CORSO
 
 
fig.4

A

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.B


.
.
.C


.
.
.D
 

Sopra,(in A)  un segnale che parte e termina in modo istantaneo. Viene chiamato "onda quadra". In bianco, lo spostamento teorico del cono corrispondente. In pratica (B) il cono (al partire dell'onda l'altoparlante) si mette in moto con un certo ritardo, che dipende dalla massa del cono stesso e degli organi da mettere in moto (bobina...), dalla rigidità delle sospensioni, e così via. 

Non si può pretendere naturalmente di avere una risposta istantanea al millesimo di secondo. 
 
 
 

Questo problema è grave sopratutto per quegli altoparlanti che devono ricreare i suoni acuti, in quanto devono eseguire spostamenti rapidissimi (ad es. 15.000 cicli al secondo). 
Il problema maggiore non si ha però all'attacco, ma al termine del segnale, ovvero quando teoricamente il cono dovrebbe tornare a riposo. 

Per una caratteristica dei corpi elastici (quale è il cono trattenuto dalle sospensioni elastiche) si ha un certo periodo in cui vi sono delle oscillazioni, che con il tempo si smorzano. Un altoparlante che (per le sue caratteristiche costruttive) oscilla per lungo tempo, non è un buon altoparlante, perchè le oscillazioni spurie (se le guardate) sono comunque delle oscillazioni che producono a loro volta delle onde sonore, più piccole. 
 
 
 

L'altoparlante in C è più smorzato che quello in D.

 
 
Da questi elementi si vede già che il compito ideale di ciascun altoparlante non sarebbe quello di riprodurre tutta la gamma sonora, ma solo quella gamma in cui (per le sue caratteristiche costruttive) dà il meglio di sè. Da molto tempo si è pensato di progettare più di un altoparlante per riprodurre la gamma sonora, affidando a ciascuno una gamma limitata dello spettro, ovvero quella gamma per cui è stato progettato in modo da dare il responso più lineare, la risposta polare più uniforme, eccetera. Oggi per una riproduzione sonora ragionevole (sia che essa venga effettuata da un buon televisore, da un sistema Hi-Fi o perfino da un sistema audio portatile di qualità) ben difficilmente ci si basa su semplici altoparlanti a larga banda. In questi casi si impiegano quasi sempre altoparlanti specializzati in due o più segmenti dello spettro sonoro, e quindi si usano sistemi di altoparlanti variamente accoppiati tra di loro. Questi sistemi di altoparlanti sono detti "multivie", o " a più vie". Il numero delle "vie" non necessariamente corrisponde al numero di altoparlanti, in quanto una stessa via può essere affidata ad un numero di altoparlanti. Nella figura 5 si illustra questo concetto. Quando lo spettro sonoro udibile è riprodotto da due altoparlanti a ciascuno dei quali è affidata una porzione diversa di gamma, si dice che si è davanti ad un sistema a due vie. Quando lo spettro sonoro è affidato a tre altoparlanti a ciascuno dei quali viene affidato un diverso segmento di gamma, si dice che si è davanti ad un sistema a tre vie, eccetera. Se però si è affidata la gamma udibile a tre altoparlanti, ad uno dei quali viene affidata una gamma, e agli altri due la seconda metà della gamma, si dice che siamo davanti ad un sistema a due vie. In altre parole, conta il numero di sezioni in cui è stata divisa la gamma udibile e non il numero degli altoparlanti a cui è affidata ciascuna sezione della gamma. Per definire un sistema di altoparlanti in maniera completa, occorrerebbe dunque specificare : "sistema a due vie e due altoparlanti", oppure "sistema a tre vie e tre altoparlanti", oppure "sistema a due vie e tre altoparlanti" e così via per tutte le combinazioni possibili. Visto che nella maggioranza dei casi il numero delle vie corrisponde al numero degli altoparlanti, quando si dice "due vie" o "tre vie" si intende "due vie e due altoparlanti", "tre vie e tre altoparlanti". Quindi, se non si specifica diversamente di assume che ogni altoparlante riproduca una certa sezione dello spettro sonoro udibile. Oltre a evitare gli svantaggi elencati, l'utilizzo di sistemi multivia permette di ottenere alcuni vantaggi, tra cui accenniamo al principale: l'aumento della potenza erogabile da parte del sistema. Il segnale elettrico applicato al sistema di altoparlanti viene infatti suddiviso tra questi altoparlanti, ciascuno dei quali può dunque essere sottodimensionato rispetto alla potenza massima che dovrebbe reggere se fosse da solo o -se volete metterla in quest'altro modo- il sistema è in grado di reggere e di diffondere nell'ambiente una potenza acustica superiore a quella che potrebbe sopportare uno solo dei suoi altoparlanti. 

A fronte di questa eliminazione o minimizzazione di svantaggi (irregolarità della  curva, del diagramma polare, ecc) e di questi vantaggi (maggior potenza applicabile) quali svantaggi ha un sistema di altoparlanti rispetto alla diffusione tramite un altoparlante unico? 

Uno svantaggio è costituito principalmente dalla presenza del cross-over, che è un dispositivo che ha un suo costo e a sua volta ha alcuni parametri critici. In particolare, gli altoparlanti possono generare delle irregolarità nei punti di passaggio tra la fine gamma assegnata ad uno e l'inizio della gamma assegnata all'altro. Questo "passaggio" dev'essere studiato con cura, per impedire che la fine della prima gamma non termini prima che vi sia l'inizio della seconda (vi sarebbe un "buco" sulle frequenze interessate) o che la prima gamma si estenda al di là del dovuto, sovrapponendosi alla gamma servita dal secondo altoparlante, e quindi generando un rinforzo del suono in quel punto. 

Vi è poi un altro problema, che più che uno svantaggio costituisce un pericolo da cui guardarsi: le onde emesse dai due altoparlanti posti uno vicino all'altro e sullo stesso piano, possono dare delle interferenze tra le onde acustiche che producono. A prima vista questo non dovrebbe avvenire, perchè a ciascuno degli altoparlanti sono assegnate delle onde di differente lunghezza d'onda. Ma occorre ricordare che vi possono essere delle interferenza dovute a multipli o sottomultipli delle lunghezza d'onda. Per evitare questo problema si pongono gli altoparlanti ad una distanza predefinita tra di loro, o si pone l'altoparlante destinato alle frequenze elevate in posizione arretrata rispetto a quello destinato alle frequenze più basse. 
 


CENNI AL CROSS-OVER

Il cross-over è il "cuore" di un sistema multivia. Si tratta di un circuito con un ingresso e più uscite. All'ingresso viene assegnato il segnale elettrico che arriva dall'amplificatore. Alle uscite vanno collegati gli altoparlanti assegnati a ciascuna banda. E' chiaro che se il cross-over è progettato per un sistema a due vie avrà due uscite, se lo è per un sistema a tre vie avrà tre uscite, e così via. 
 
 


Il cross-over è costituito da una serie di condensatori ed impedenze di un valore predeterminato e disposte in un circuito più o meno complesso. Per ora immaginiamo che il cross-over sia semplicemente una "scatola nera", con da una parte l'ingresso dove arriva il segnale audio (proveniente dall'uscita dell'amplificatore) e dall'altra parte vi siano delle uscite, destinate ai vari altoparlanti che compongono il sistema. Cross-over e altoparlanti sono di regola racchiusi in una cassa (la "cassa acustica"). 
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Ciascun cross-over viene pogettato non solo sulla base del numero delle vie scelto, ma anche per ciascun tipo di altoparlante che esso va a servire. 

La progettazione del cross-over parte da delle formule che daremo a suo tempo, e nei sistemi migliori ha poi delle correzioni e degli adattamenti empirici sulla base del risultato pratico che si ha con il sistema una volta che è stato realizzato. Una volta che il prototipo offre delle prestazioni finali soddisfacenti, si possono realizzare i cross-over in serie, ma sempre per quel tipo di cassa e per quel tipo di altoparlanti. 

Il cross-over si basa sulla proprietà dei condensatori e delle impedenze di impedire il passaggio di una gamma al di sopra o al di sotto di una certa frequenza determinata sulla base della capacità del condensatore o del valore dell'impedenza. Cambiando la capacità del condensatore (es adottando un condensatore da 50 pF anzichè di uno da 15 pF) o variando il valore dell'impedenza (usandone una da 12 ohm al posto di una da 30 ohm) ecco che cambia anche l'estensione della gamma che si "lascia passare" verso l'altoparlante. In pratica il cross-over è dunque un filtro, che (grazie alle proprietà dei consensatori e delle impedenza) "filtra" le frequenze non desiderate, lasciando scorrere verso l'altoparlante la parte di frequenze che devono andare verso quell'altoparlante. 

Anticipo il discorso sul cross-over per dire che a volte questo filtro è in parte o in toto un aiuto ad una filtratura meccanica, dovuta a due fenomeni che già abbiamo spiegato: il controllo di velocità e il controllo di massa. In pratica, il cross-over filtra ulteriormente la gamma già filtrata da questi due fenomeni, per riportarla a valori più adatti al sistema di altoparlanti. 

Ma a volte il cross-over tiene conto semplicemente di questi fenomeni. Nei sistemi di altoparlanti più semplici ed economici vi è infatti un solo condensatore, che impedisce alle frequenze medio-basse di arrivare all'altoparlante destinato agli acuti. L'altoparlante destinato ai bassi non ha invece alcun filtro, e cio' che gli impedisce di sovrapporre le sue frequenze a quelle dell'altro altoparlante è solo la sua incapacità a riprodurle. 

In altre parole, in molti sistemi semplificati vi è un altoparlante a cui arriva tutta la gamma, ma questo altoparlante non è in grado di riprodurla tutta, verso gli acuti. Lo stesso programma viene inviato anche ad un altro altoparlante in grado di riprodurre gli acuti, previo filtraggio delle frequenze medio-basse già servite dal primo altoparlante. 

L'altoparlante progettato e montato in modo da riprodurre gli acuti è chiamato generalmente "tweeter". L'altoparlante per i bassi è chiamato "woofer". L'altoparlante per i medi è chiamato "mid range". Quindi, in un sistema a due vie vi è un woofer e un tweeter, in un sistema a tre vie vi è un woofer, un mid-range e un tweeter. In un sistema a due vie e tre altoparlanti vi possono essere (ad esempio) un woofer e due tweeter o due woofer e un tweeter; ma mai un mid-range, se no sarebbe a tre vie. In un sistema tre vie e a quattro altoparlanti vi possono essere due tweeter o due woofer, ben difficilmente troverete dei sistemi con due mid-range. Gli altoparlanti supplementari (ancorchè destinati a servire al stessa gamma) servono infatti per rinforzare quella gamma. Le frequenze da rinforzare sono spesso i bassi (sono frequenza che contengono una altissima potenza, e a volte conviene adottare più woofer anche solo per distribuirla su più bobine) o gli acuti (facilmente assorbibili da parte del'ambiente) ma non sono di certo i medi, che è la banda riproducibile con maggior facilità nella sua potenza e nella sua regolarità. Oltretutto l'orecchio umano è molto più sensibile alle frequenze medie che non a quelle acute o a quelle molto basse; e quindi ben difficilmente si pone il problema di un loro rinforzo. 

 
CORSO

 
Ecco sopra un primo esempio in cui un cross-over "serve" due altoparlanti, uno per la gamma bassa e uno per gli acuti. Sul cross-over vi sono due uscite, e il sistema è denominato " a due vie e a due altoparlanti". Il numero delle vie indica i segmenti della gamma (bassi e acuti) . 
 

In basso  un  secondo esempio, il cross-over ha sempre due uscite. La gamma audio è sempre divisa in due. Ma qui una delle due bande (quella per i medio-acuti) è servita da due altoparlanti. Quindi, 2 vie 3 altoparlanti.
 
 
In questo terzo caso, le uscite del cross-over sono tre: lo spettro audio è stato suddiviso in tre gamme. Ciascuna banda (quella dei bassi, dei medi, e degli acuti) viene riprodotta da uno specifico altoparlante. Siamo a 3 vie e 3 altoparlanti. In questo ultimo caso si ha di nuovo una gamma servita da più di una altoparlante, e siamo davanti ad un "sistema a 3 vie 4 altoparlanti". In genere le casse non superano le tre vie, e vi sono casse eccellenti (tra le migliori) che hanno solo due vie.
 

 
 
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