Xover a 6 dB/ottava: una presa in giro

[F.Calabrese]

Riprendo in questa nuova sezione del Forum un argomento che è doppiamente importante: quello dei crossover passivi (ed attivi) a bassa pendenza.

Da una parte è importante perché vi permette di scartare dalle vostre scelte una quantità impressionante di diffusori, sicuramente mal progettati.

Dall'altra parte è importante per far capire quanto anche grandi Aziende non abbiano alcun problema a prendere sfrenatamente per i fondelli i propri clienti, raccontando loro balle (in perfetto accordo con le riviste, che tacciono al riguardo).

Le cose che io scrivo qui di seguito dovrebbe conoscerle qualsiasi progettista delle maggiori Aziende che producono diffusori, e che dunque queste non dovrebbero MAI proporre diffusori crossoverati con un semplice condensatore sulla via alta ed una semplice induttanza sulla via inferiore. Semplicemente NON FUNZIONA, anzi, come vedrete, NON PUO' ASSOLUTAMENTE FUNZIONARE.

La spiegazione inizia con il prossimo post.

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F.C.

[F.Calabrese]

Facciamo una piccola premessa tecnica, appena un poco complessa.

Qualsiasi altoparlante a radiazione diretta "vede" l'aria in due modi diversi, a seconda del rapporto tra la lunghezza d'onda che irradia ed il diametro della parte del trasduttore che opera come pistone rigido.

Al di sopra di una certa frequenza il trasduttore "vede" un'impedenza sostanzialmente resistiva, con una piccola componente reattiva.

Al di sotto della stessa frequenza il trasduttore "vede" un'impedenza fortemente reattiva, la cui componente resistiva crolla letteralmente al diminuire della frequenza. Se non ci fosse la risonanza a "tirare su" la risposta, qualsiasi trasduttore a radiazione diretta sarebbe pochissimo efficiente, a queste frequenze.

Ora guardate con estrema attenzione l'immagine qui sotto, che vi mostra a quali frequenze avviene questo "cambio di marcia" nel caso di due woofer, il primo dei quali è da 8"/20cm. (curve chiare), mentre il secondo è da 12"/32cm. (curve scure). In alto a destra vedete la componente resistiva; in basso a sinistra la componente reattiva.

Come potete vedere il "cambio di marcia" avviene intorno ai 1000 Hz. Poco sopra per il woofer più piccolo (8"/20cm.); un poco al di sotto per il woofer da 12"/32cm.

Impedenza radiaz 12pollici+8.jpg (57.75 KiB) Visto 1570 volte

Ragioniamoci insieme: sapete tutti che i woofer da 20 e da 32 cm. si impiegano TUTTI a frequenze ben inferiori rispetto ai 1000 Hz.

Quindi abbiamo capito che qualsiasi woofer (o mid, o tweeter) di qualsiasi diffusore a radiazione diretta viene impiegato normalmente, anzi preferenzialmente, proprio nella banda di frequenze in cui il suo cono (o cupola) "vede" un carico fortemente reattivo, che dunque crea forti sfasamenti nell'emissione.

Se ci pensate, qualsiasi trasduttore passa da una reattanza di un certo segno al di sotto della risonanza ad una reattanza di segno esattamente opposto, al di sopra della frequenza di risonanza. Stiamo parlando di sfasamenti di decine di gradi, che hanno effetti ben misurabili ed udibili quando si affiancano trasduttori con sfasamenti diversi tra loro, al variare della frequenza.

Quelli più esperti tra di voi avranno già capito che proprio per la presenza di questi sfasamenti è una cretinata leggendaria pensare di poter progettare e realizzare un filtro di crossover con risposta in frequenza (e fase) lineare... magari impiegando solo un condensatore ed una induttanza.

Gli autocostruttori e gli appassionati che ci leggono sono scusati se non conoscono dettagli progettuali come questi... MA I PROGETTISTI delle maggiori Aziende mondiali NON LO SONO AFFATTO...!!!


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F.C.

[F.Calabrese]

A questo punto partiamo con una piccola serie di simulazioni, che ci aiuteranno a capire le proporzioni del fenomeno.

Iniziamo simulando la risposta di due trasduttori: un woofer da 12"/32cm. ed un midrange da 5"/13cm. (o poco più)

Però -per questa prima simulazione e per aiutarci a capire- modifichiamo un parametro per entrambi i coni: l'elasticità delle sospensioni, immaginando che queste siano talmente cedevoli da spostare la frequenza di risonanza dei due coni dalle parti di 4-5 Hz, vale a dire ben al di sotto della banda di frequenze alle quali tenteremo di effettuare un taglio con filtri del primo ordine. Naturalmente modificheremo anche il volume posteriore ai due coni, elevandolo quanto basta a non spostare in alto la risonanza.

Ed ecco qui sotto le due curve di risposta simulate, per il woofer (in verde) e per il midrange (in rosso). La curva in alto, in blu, è semplicemente la somma delle due emissioni. La curva nella metà inferiore del grafico mostra la risposta in fase della somma delle due emissioni: notate che non è affatto lineare, nemmeno in questa simulazione, in cui NON C'E' ALCUN FILTRO DI CROSSOVER.

NO-Filter_No-Compl.jpg (440.5 KiB) Visto 1567 volte

Se avete osservato con attenzione, avrete notato che al di sotto dei 200 Hz circa sia la risposta del woofer che quella del midrange calano assai gradualmente. Ed è proprio questo caso che provoca lo sfasamento che si osserva nella metà inferiore del grafico.

Nel prossimo post rimetteremo a posto le sospensioni, con il loro vero e tipico valore, nonché aggiungeremo dei volumi posteriori chiusi, come normalmente accade nei diffusori a radiazione diretta.


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F.C.

[F.Calabrese]

Ecco cosa accade quando montiamo il nostro woofer in un volume di circa 100 litri, mentre al midrange ne assegniamo dai 5 ai 10 litri.

FATE BENE ATTENZIONE: per una volta ancora stiamo simulando le due risposte (e la somma, in alto) SENZA ALCUN FILTRO DI CROSSOVER.

Notate come la chiusura dell'emissione posteriore ha linearizzato la risposta vero il basso sia del woofer che del midrange (ciascuno con il suo taglio).

NO-Filter_+Compl.jpg (462.1 KiB) Visto 1565 volte

Osservando con attenzione si capisce che il gradino nella risposta della somma delle emissioni (curva in alto, in blu) è causato dal fatto che, al di sotto di circa 150 Hz il midrange diminuisce gradualmente la sua emissione, che quindi non va più a sommarsi in fase con quella del woofer.

ATTENZIONE: SIAMO ANCORA SENZA ALCUN CROSSOVER passivo o attivo, tra woofer e mid. Quel che accade con il crossover lo vedremo nel prossimo post.


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F.C.

[F.Calabrese]

Ora ritorniamo indietro per un attimo, riprendendo la simulazione con i nostri due coni modificati, con sospensioni ultra-morbide e con volumi posteriori enormi. Una condizione impossibile nella pratica: ricordatelo bene. Ora però aggiungiamo il nostro condensatore passa-alto e la nostra induttanza passa-basso, formando il canonico filtro del primo ordine, a sei dB per ottava. Le pendenze si vedono bene, nelle due curve rossa (mid) e verde (woofer), come si vede bene che l'emissione somma non guadagna più sensibilità, come invece accadeva nelle simulazioni precedenti.

6dB-Filter_No-Compl.jpg (451.15 KiB) Visto 1561 volte

Notate innanzitutto che -per avere una somma il più lineare possibile- abbiamo incrociato le due vie con una sovrapposizione maggiore rispetto al canonico taglio a -3 dB. E già questo ci dovrebbe far capire quanto questo tipo di filtro sia tutt'altro che semplice da impiegare.

Ma passiamo subito al caso reale, nel prossimo post, perché di coni con sospensioni ultra-morbide e volumi posteriori enormi non sappiamo proprio cosa farcene...


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F.C.

[F.Calabrese]

Ed ecco finalmente un caso che si avvicina alla condizione "normale" di diffusore a due vie con taglio del primo ordine, a sei dB per ottava.

Ora sia il woofer che il mid hanno le loro vere sospensioni ed i loro volumi posteriori chiusi...

6dB-Filter_+Compl.jpg (473.72 KiB) Visto 1559 volte

Bruttino... vero...?

Sia la risposta in frequenza che quella in fase mostrano infatti un bel gradino, in corrispondenza della banda alla quale il midrange risuona e taglia verso il basso.

Come prevedibile, il condensatore in serie al mid vede un'impedenza del trasduttore che ha il solito ed inevitabile picco alla risonanza, per cui non taglia come dovrebbe, ma crea appunto una piccola gobba nella risposta.

Alcuni autocostrutori ingenuamente rimuovono il picco di risonanza del mid parallelando a questo una rete R-L-C accordata alla risonanza e con fattore di merito adeguato. Ho scritto "ingenuamente", perché con quei tre elementi aggiuntivi si potrebbe fare di molto meglio, per esempio aumentando la pendenza di taglio del mid...

Nel prossimo post vediamo se si può far qualcosa con mezzi convenzionali...


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F.C.

[F.Calabrese]

Ora proviamo a ridurre il volume posteriore al midrange, spostandone in alto la risonanza... e vediamo cosa accade...

6dB-Filter_+Reduc-Compl.jpg (473.32 KiB) Visto 1557 volte

La situazione è peggiorata: segno che avremmo eventualmente dovuto operare nella direzione opposta, vale a dire aumentando il volume posteriore del midrange, spostandone in basso la risonanza. Ma così facendo avremmo guadagnato più escursione e PIU' DISTORSIONE.

Siamo arrivati al punto di poter riflettere serenamente sul fatto che i diffusori con filtri del primo ordine non mantengono alcuna delle promesse di risposta in frequenza ed in fase lineari... anzi...!

Sono quindi la PEGGIORE soluzione progettuale che si possa adottare. Nessun vantaggio in termini di semplicità, di distorsione e di rendimento...

MA ATTENZIONE...! Il caso che abbiamo simulato è quello più benigno, vale a dire l'incrocio ad una frequenza alla quale la distanza tra i centri di emissione dei trasduttori che emettono le due vie è ampiamente minore rispetto alle lunghezze d'onda in gioco...!!!

Nella pratica della normale progettazione questo però accade raramente: solo tra woofer e mid tagliati bassi.

Quando invece si vanno ad esaminare i tagli tra mid e tweeter, oppure tra grandi trombe per medi ed alti, si scopre che le lunghezze d'onda emesse all'incrocio sono ben più piccole rispetto alla distanza che separa i centri di emissione delle due vie adiacenti. E QUI ACCADE IL DISASTRO, perché gli ascoltatori fuori asse e le pareti riflettenti ricevono emissioni sfasate al punto da creare picchi e buche aggiuntivi, sia nelle risposta in frequenza che in quella in fase.

E se l'ascoltatore si sposta dalla perfetta mezzeria... beh... addio immagine stereo coerente...!!!

Ora potete anche rileggere quei bei depliant e Siti che pubblicizzano i filtri del primo ordine come fossero l'Ottava Meraviglia, mentre si tratta di vera monnezza, che ha il solo pregio di costare meno (perché impiega meno componenti).


Saluti
F.C.