Molte volte ci sarà capitato di sentire dire : “Questo diffusore è
caricato in box chiuso, eccetera…”. Si, va bene ma che cosa vuole
dire in definitiva tale affermazione ? Tutti i box chiusi
funzionano proprio nella stessa maniera oppure vi sono differenze
normalmente conosciute solamente ai tecnici più preparati ?
PREMESSA.
Se non fossi sicuro che gli autocostruttori hanno sempre molta voglia di imparare e sono tutti piuttosto pazienti, penserei che il titolo di questo articolo possa sembrare a molti piuttosto anacronistico. In effetti sono ormai più di cinquanta anni che tali argomentazioni sono state affrontate e disquisite. Credo però che ogni tanto una rinfrescata alla memoria non faccia mai male, soprattutto se il corollario delle conoscenze ormai acquisite viene di volta in volta arricchito da nuove informazioni, grazie al silenzioso lavoro dei ricercatori audio, alcuni dei quali non hanno alcun timore nell’affermare che i modelli matematici relativi ai diffusori chiusi andrebbero leggermente rivisti e arricchiti da alcune variabili di calcolo che, nella maggioranza dei casi, anche gli odierni software di simulazione non ne tengono adeguatamente conto.
Uno tra tutti è l’effetto reale dell’assorbente acustico all’interno del box, oramai chiaro ai più ma non ancora perfettamente computabile visto che le tre variabili che ne caratterizzano il comportamento ovvero quantità, densità e posizionamento sono spesso riassunte e ridotte ad un unico numero percentuale che indica un presunto quanto fittizio effetto di aumento del volume box visto dal driver, senza contare che nei circuiti equivalenti del sistema acustico, l’assorbente viene ridotto ad una semplice resistenza mentre il suo effetto varia in funzione della frequenza. Detto questo mi pare il caso che ci sia ancora molto da disquisire sull’argomento per cui possiamo partire con la nostra trattazione.
SOSPENSIONE PNEUMATICA OPPURE BAFFLE INFINITO.
Quando ci troviamo di fronte ad un diffusore acustico la cui cassa di risonanza è completamente ermetica, siamo in presenza di due possibili tipologie di carico per la bassa frequenza, ovvero la sospensione pneumatica od il baffle infinito.
La differenza tra i due sistemi è abbastanza sottile e prettamente tecnica ma, proprio per il fatto che le due denominazioni sono spesso confuse tra loro, tale differenza merita di essere adeguatamente spiegata.
I due sistemi vengono realizzati nella stessa maniera e funzionano sullo stesso principio, ovvero eliminare quanto più possibile la radiazione posteriore dell’altoparlante di modo che essa non influisca su quella a noi utile all’ascolto, ovvero l’ anteriore. Si confina quindi l’emissione posteriore del driver in un box perfettamente sigillato, aiutato nell’opera dell’assorbimento mediante una certa quantità di materiale acustico fonoassorbente. Quello che però differenzia l’uno dall’altro le due tipologie dicarico è il fine nell’utilizzo del box. Iniziamo quindi aiutandoci col disegno raffigurato in figura 1 e andiamo avanti con le spiegazioni, partendo dalla disamina del sistema più antico, il baffle infinito.

fig.1

Sostanzialmente ci si trova di fronte ad un box che “simula” una parete di dimensioni idealmente infinite. La simulazione sta nel fatto che, all’altoparlante viene effettivamente fatto “vedere” un volume quasi infinito per la separazione della radiazione posteriore, alla stessa maniera ( o quasi ) che vedrebbe qualora esso fosse posto su di un muro perimetrale di una abitazione. La comparazione tra le due collocazioni trova riscontro nel fatto che, in nessuna delle due situazioni i parametri caratteristici dell’altoparlante subiscono variazioni significative ed in entrambe le situazioni si riesce molto bene a separare le due radiazioni acustiche opposte. Quindi, nel baffle infinito, la quantità di aria agente sulla faccia posteriore del diaframma vibrante ha un effetto praticamente ininfluente sulle prestazioni del driver e può quindi essere omessa. Pare quindi logico che, in tali condizioni, il baffle infinito non “carica” affatto la membrana del woofer ma il box svolge solamente un lavoro di separazione fisica tra le due radiazioni sonore offerte dal driver. L’assorbente acustico, in tale regime operativo, svolge solamente il compito di attenuare quanto più possibile l’insorgere di vibrazioni e risonanze interne al box, le quali potrebbero “inquinare” la radiazione frontale del sistema, per cui spesso si rinuncia a riempire completamente il volume interno del cabinet come invece avviene quasi sempre per i diffusori in sospensione. L’effetto di aumento virtuale della volumetria del box fornito dall’assorbente ( Vab ) è, in questo caso, nuovamente ininfluente, essendo già il volume netto del box ( Vb ), molto maggiore rispetto a quello risultante alla cedevolezza delle sospensioni del driver ( Vas ).
Abbiamo quindi un sistema acustico formato da tre elementi : il driver, il box e l’assorbente in virtù di solo attenuatore di risonanze e riflessioni. E’ quindi un sistema assai semplice e relativamente semplice risulta prevederne il comportamento REALE rispetto a quello SIMULATO in sede di progetto.
Veniamo alla sospensione pneumatica, detta anche sospensione acustica. Essa nasce verso la metà del secolo scorso con l’intenzione chiara di superare alcune problematiche connesse proprio all’impiego di driver in baffle infinito.
Il baffle infinito sconta due principali problemi. Il primo sta nelle dimensioni del mobile, sempre piuttosto grande ed ingombrante, soprattutto se si chiede al sistema di riprodurre adeguatamente le frequenze più basse, quindi facendo uso di diaframmi vibranti piuttosto consistenti nella misura del diametro.
Il secondo problema è legato alla necessità di riportare l’equipaggio mobile nella posizione di riposo in maniera adeguata.
Ma vediamo come la sospensione pneumatica ovvia a tali problematiche. In essa troviamo che, il volume d’aria contenuto nel box, si comporta come una sospensione aggiuntiva a quella meccanica, propria del cono. In questo caso, il volume Vab del sistema è assai minore del Vas che contraddistingue l’altoparlante. L’emissione posteriore del diaframma comprime l’aria contenuta nel box la quale tende a riportare lo stesso diaframma nella posizione iniziale di equilibrio. In pratica, il compito della sospensione meccanica svolto nei sistemi a baffle infinito, qui viene svolto quasi completamente dalla “molla” d’aria supplementare che ora appare nel sistema. Inoltre, l’assorbente qui svolge un ruolo essenziale nell’aumentare il volume interno del cabinet utilmente sfruttato dal driver. La sospensione, nei confronti del baffle infinito, a parità di prestazioni ottenibili in bassa frequenza, può permettersi un volume nettamente minore del box di carico con ovvii vantaggi intermini di ingombri e migliore collocabilità del diffusore. Ma se questo fatto appare già da sé un vantaggio non indifferente, bisogna anche dire che questo non è il fine ultimo per cui la sospensione pneumatica è stata ideata. Più che per ridurre le dimensioni dei cabinet, la sospensione acustica è stata ideata per superare le vere o presunte limitazioni fornite dalle sospensioni meccaniche degli altoparlanti quando questi sono costretti a sopportare notevoli elongazioni del diaframma vibrante.
L’ideatore della sospensione acustica (1) ritenne che l’aria compressa all’interno del cabinet dal diaframma vibrante poteva fornire una forza di ritorno allo stesso assai più lineare di qualsiasi sistema di sospensione meccanica, per cui sfruttò tale freno pneumatico per superare i limiti dei sistemi in box chiuso creati fino ad allora alle prese con le elongazioni più consistenti. In particolare si ritenne che l’aria potesse essere una molla pneumatica perfetta, con eguale comportamento nelle fasi di compressione ed espansione che avvenivano nel cabinet durante la riproduzione della sinusoide musicale.
In questo caso, abbiamo quindi un sistema composto da quattro componenti : il driver, l’assorbente acustico, l’aria entrocontenuta nel box ed il box stesso.
Nei primi anni dopo l’introduzione sul mercato, la sospensione pneumatica ottenne i favori del pubblico e delle case produttrici di diffusori acustici, soppiantando i vecchi sistemi chiusiprecedenti ma, ben presto furono anche svolti ricerche approfondite sul sistema, presumibilmente studi indipendenti dalle tendenze di mercato (2), in cui si dimostrava che la forza di ritorno fornita dall’aria non era poi maggiormente lineare rispetto a quella offerta da un’ottima sospensione meccanica ( figura 2 ).

Fu dimostrato mediante test in cui si misurava l’assorbimento della corrente del driver alle prese con le due semionde che l’aria era più facile espanderla rispetto che comprimerla. Sergio Canini, noto riparatore ligure di altoparlanti e progettista di diffusori, verificato strumentalmente tale fenomeno lo definì “effetto siringa” (3) ovvero fece una semplice quanto riuscita analogia col fatto che, se noi prendiamo una siringa, gli togliamo l’ago, occludiamo il foro di uscita del liquido e proviamo ad estrarre lo stantuffo, l’azione ci riesce con poco sforzo, mentre se facciamo l’operazione contraria, non riusciremo mai a spingere lo stantuffo fino al fondo, comprimendo l’aria oltre un certo limite. Per cui, nella fase di compressione, il driver assorbiva meno corrente dal finale rispetto alla fase in cui avveniva l’espansione dell’aria entrocontenuta nel box. Ovviamente, i sostenitori della sospensione acustica misero sul campo altre argomentazioni a sostegno della nuova tipologia di carico, dicendo che se il volume d’aria mosso dal diaframma non supera il dieci – quindici per mille del volume d’aria interno al box, non vi erano alterazioni visibili della variazione pressione – volume quindi nessuna non – linearità introdotta. Insomma tale diatriba andò avanti per molto tempo e ancora oggi vi sono accaniti sostenitori dell’uno o dell’altro sistema di carico, fermo restando che entrambi i sistemi in box chiuso sono stati letteralmente soppiantati dai sistemi accordati ( bass-reflex e linee di trasmissione ) essenzialmente per ragioni di mercato più che per effettivi vantaggi.
A questo punto molti di voi si chiederanno : ma quale sistema tra i due è effettivamente superiore ? A tale domanda posso solo rispondere in questa maniera : tutti e due e nessuno dei due, dipende dai differenti punti di vista.
E’ innegabile che la sospensione pneumatica offre una vantaggio enorme in termini di riduzione delle dimensioni del cabinet. Se si ha necessità di ottenere un sistema di ridotte dimensioni, appare una scelta praticamente scontata, per non dire obbligata. Però anche questa scelta può avere il suo rovescio della medaglia. Normalmente un sistema di dimensioni rilevanti si pone sul pavimento. Tale collocazione permette di approssimare la condizione di radiazione acustica a semispazio, soprattutto se il woofer è posto molto in basso sul box, quindi piuttosto vicino al pavimento. Invece un sistema di ridotte dimensioni, molto spesso possiede un cabinet adatto ad essere posto su di un piedistallo per poter portare l’asse di radiazione ad una quota adatta agli ascolti. Se la distanza tra diffusore e suolo supera una certa quota, oltre alcune frequenze ci si allontana dalla radiazione a semispazio e ci si avvicina a quella di spazio libero. In tale maniera, si perde l’incremento acustico sui bassi fornito dalla vicinanza di una parete, quindi si perde efficienza e resa sonora.
La sospensione pneumatica è un sistema acustico maggiormente complesso rispetto al baffle infinito. Abbiamo prima visto come gli elementi in gioco siano maggiori in numero di due, la molla d’aria supplementare e l’incremento di volume offerto dalla presenza dell’assorbente acustico. Se consideriamo il fatto che ogni elemento non è mai perfettamente lineare nel suo intervento, nella sospensione pneumatica abbiamo due elementi in più portatori di possibili problematiche e imprecisioni.
Inoltre, i driver normalmente impiegati per la sospensione pneumatica presentano una cedevolezza delle sospensioni dell’equipaggio mobile molto elevata, talmente elevata che spesso se ne sconsiglia l’impiego in aria libera anche solo per poco tempo e con bassa potenza di pilotaggio poiché si potrebbe facilmente danneggiare l’altoparlante con un violento “fondo corsa” del cono. Siamo quindi di fronte ad un trasduttore che, al limite, si potrebbe definire “deficitario” poiché per funzionare ha bisogno dell’ausilio di un componente esterno addizionale, l’aria appunto. Invece i driver per baffle infinito sono quasi sempre assai poco cedevoli e potrebbero tranquillamente funzionare anche in mancanza di un volume ermetico di contenimento senza soffrire di prematuri cedimenti. Basta pensare ai trasduttori per automobili pensati per essere inseriti nelle predisposizioni originali della vettura, praticamente mai in grado di fornire un volume di lavoro ben definito.
Inoltre, la sospensione pneumatica è assai più sensibile ad eventuali piccole perdite d’aria dal cabinet. Siccome la massa d’aria svolge un ruolo determinante nel rendimento del sistema e la pressione all’interno del cabinet è maggiore rispetto al baffle infinito, eventuali piccoli “spifferi” potrebbero generare maggiori perdite di efficienza nel sistema oltre che possibili “sibili” sonori, facilmente udibili dall’apertura indesiderata. Quindi, in questo caso, è assolutamente importante curare la perfetta tenuta d’aria del mobile. Tale parametro è comunque normalmente tenuto in considerazione anche nel caso del baffle infinito, anche se eventuali piccole perdite avrebbero un peso minore nelle prestazioni in bassa frequenza.
Nel baffle infinito la sospensione meccanica deve essere realizzata ad opera d’arte. Diventa determinante che essa non inserisca eventuali disomogeneità di funzionamento durante le elongazioni dell’equipaggio mobile le quali si ripercuoterebbero direttamente sul sistema “motore” del driver. Sotto a questo aspetto un driver per baffle infinito deve garantire la linearità maggiore possibile, non essendoci freni pneumatici addizionali a “salvare” la situazione, quindi un impegno progettuale e costruttivo senza mezzi termini. Anche le sospensioni dovrebbero avere un comportamento il più omogeneo possibile durante tutta la corsa lineare del pistone.
Vorrei ancora aggiungere che, come abbiamo prima detto, di solito i piccoli box sono completamente riempiti di assorbente, mentre i sistemi più grandi possiedono il cabinet solamente rivestito internamente di assorbente acustico. A parità di frequenza di risonanza, un box piccolo e farcito di assorbente, produrrà una pressione sonora inferiore e una estensione leggermente minore in gamma bassa rispetto che un box più grande e solamente rivestito al suo interno. Questo perché l’assorbente induce sempre una certa perdita di efficienza del sistema. Per contro la perdita in SPL è mitigata dal fatto che un box piccolo possiede un baffle frontale di minori dimensioni e quindi offre un minore carico d’aria aggiunto alla membrana.
UN ESEMPIO ( QUASI ) PRATICO.
A questo punto, dopo tanto discutere in maniera teorica, proviamo a fare un test ( anch’esso teorico ). Prendiamo in esame un ipotetico driver da otto pollici, adatto ad essere caricato in sospensione acustica. I suoi parametri sono i seguenti .
– Frequenza di risonanza Fs : 25 Hz
– Fattore di merito meccanico Qms : 3
– Fattore di merito totale Qts : 0,30
– Volume equivalente alla cedevolezza Vas : 100 litri
Scegliamo un rapporto Vas/Vab pari a quattro, il che garantisce una molla pneumatica di ritorno consistente e un funzionamento in regime di sospensione ampiamente compreso all’interno del limite inferiore teorico. Poniamo di riempire completamente il box con assorbente acustico e di realizzare un mobile bello robusto e a perfetta tenuta d’aria, quindi scegliamo perdite per fessurazione QL pari 12 e perdite per assorbenza pari a 20, che, assieme danno una fattore di perdita del sistema QB pari a 7,5, vicinissimo al valore di default di 7 normalmente preso a riferimento per i sistemi REALI. Vediamo quindi i risultati ottenuti :
– Frequenza di risonanza del sistema Fc : 54 Hz
– Fattore di merito meccanico del sistema Qmc : 5,9
– Fattore di merito totale del sistema Qtc : 0,65
– Volume effettivamente visto dal driver Vab : 25 litri- Volume netto del box Vb : circa 19 litri
– Frequenza di semipotenza F3 : circa 60 Hz
– Massima potenza acustica a F3 Par : 98,5 dB SPL
– Massima potenza di ingresso per produrre la Par : 11,2 Watt
elettrici
Non male come sistema. Ora vediamo un sistema equivalente ma in baffle infinito. Per avere un ragionevole termine di paragone tra i due sistemi, poniamo che i valori Fc, Qmc, Qtc, desiderati ed ottenuti dal sistema in sospensione siano proprio quelli di partenza posseduti dal driver e si presuma che il box si comporti in maniera similare ad uno schermo acustico infinito.
Scegliamo quindi un rapporto Vas/Vab molto basso, pari a 0,4 che dovrebbe garantire una variazione assai contenuta del parametri del driver, compatibilmente alla realizzazione di un box grande ma di dimensioni tutto sommato accettabili per una normale sala di ascolto. Ovviamente un driver adatto al baffle infinito ha una cedevolezza molto più contenuta, per cui, facendo ancora valere la regola presa a riferimento per gli altri parametri, scegliamo un Vas pari al volume interno effettivamente visto dal driver Vab nell’esempio visto appena prima. Poniamo di non riempire completamente il box con assorbente acustico, visto l’ampia disponibilità di spazio nel cabinet ma di foderare solamente le pareti interne con un foglio spesso 2-3 cm. Detto questo, poniamo un verosimile valore di QA a 80 e, visto che il box sarà molto più grande rispetto a quello visto prima, scegliamo maggiori perdite per fessurazione, quindi un QL pari a 8, il che comporta l’ottenimento di un QB totale pari a 7,3 molto vicino a quello visto poc’anzi. Vediamo quindi i risultati ottenuti :
– Frequenza di risonanza del sistema Fc : 61 Hz
– Fattore di merito meccanico del sistema Qmc : 7,2
– Fattore di merito totale del sistema Qtc : 0,77
– Volume effettivamente visto dal driver Vab : 62 litri
– Volume netto del box Vb : circa 59 litri
– Frequenza di semipotenza F3 : circa 57 Hz
– Massima potenza acustica a F3 Par : 101 dB SPL
– Massima potenza di ingresso per produrre la Par : 17 Watt
elettrici
Possiamo quindi trarre le conclusioni. A fronte di una notevole riduzione delle dimensioni del cabinet, la sospensione pneumatica ha chiesto una minore potenza di pilotaggio, offre una minore capacità di erogare potenza acustica e “scende” leggermente meno in frequenza. Per contro il baffle infinito chiede maggiore potenza ma “scende” un poco di più e suona un po’ più “forte”. Da notare che, anche con un rapporto Vas/Vab molto contenuto, la variazione dei parametri è ancora sensibile quindi, per avvicinarci maggiormente allo schermo acustico infinito si dovrebbe aumentare ulteriormente le dimensioni del cabinet !
In questo caso specifico, anche l’escursione lineare richiesta e la sensibilità in banda passante sono leggermente a favore del baffle infinito ( figura 3 ). Resta comunque lo “scotto” da pagare che, a fronte di prestazioni in bassa frequenza abbastanza simili, nel baffle infinito si deve triplicare la volumetria del box.

I CIRCUITI EQUIVALENTI AI SISTEMI.
Assieme all’amico Siro, ho lavorato parecchio nella definizione di un modello matematico che potesse essere, pur ammettendo ancora molte semplificazioni, leggermente più attinente alle reali grandezze che contraddistinguono il comportamento di un diffusore chiuso nei dintorni della frequenza di risonanza. Ovviamente si parla di un sistema formato dalla combinazione box + un unico altoparlante, evitando di complicarci ulteriormente la vita inserendo ipotetici midrange e tweeter con relativi circuiti di crossover.
Nello schema di figura 4 sono considerati i principali elementi costitutivi del sistema. Senza addentrarci eccessivamente nell’estrazione e nel calcolo dei valori delle singole grandezze, proviamo insieme a valutarne il campo di appartenenza e a spiegare brevemente cosa essi rappresentino in un diffusore reale.
– Vmg = rappresenta il generatore ( finale di potenza ) come elemento ideale di erogazione di energia meccanica, acustica ed elettrica ( in questo caso solamente meccanica ).
– Rme ed Cml = rappresentano le resistenze in corrente continua e le resistenze al variare della frequenza emessa proprie del trasduttore. Cml in bassa frequenza potrebbe essere tranquillamente omesso poiché il suo valore è assai modesto. Rme include anche la resistenza di uscita del finale di potenza.
– Rms, Cms, Mms = sono le componenti proprie del driver, resistenza alla risonanza, cedevolezza delle sospensioni e massa del diaframma.
– Cmb = definisce la cedevolezza del volume d’aria contenuto nel box di carico, includendo l’effetto dell’assorbente acustico. Ovviamente, poiché il confinare un trasduttore in un volume d’aria significa sempre incrementarne la rigidità delle sue sospensioni, la grandezza Cmb riduce il valore di Cms.
– Mmb = precisa il carico d’aria che rimane aggrappato al pannello ed agisce sul diaframma dell’altoparlante.
– Rmr, Xmr = sono le componenti relative alla sola radiazione frontale del driver, reale ed immaginaria, quindi in funzione della frequenza emessa. Si suppone, per semplicità, che il box ed l’assorbente siano in grado di annullare completamente la radiazione posteriore, che non viene quindi riportata.
– Rml, Xml = elementi che definiscono le perdite di resistività ( fessurazione ) del box in funzione della frequenza. La perdita solitamente più rilevante è da attribuirsi, non tanto alle possibili fessurazione dei pannelli, solitamente bene accoppiati, di rilevante spessore e attentamente incollati tra loro, quanto per la presenza dell’altoparlante stesso, per cui, anche in box con pareti spesse un metro, tali perdite saranno sempre presenti.
– Rmb box, Xmb box = definiscono l’entità dell’assorbimento sonoro da parte delle pareti del box al variare della frequenza, ovviamente tale indice dipendere fortemente dal materiale e dallo spessore di cui il box è stato costruito, nonché dalla conformazione fisica del box stesso.
– Rmb ass, Xmb ass = delineano l’entità dell’assorbimento sonoro da parte del materiale acustico contenuto all’interno del box di carico. Anche in questo caso, queste grandezze sono fortemente dipendenti dalla quantità, posizionamento e densità dell’assorbente acustico inserito nel cabinet.

fig.4

Tali circuiti equivalenti, devono essere presi a riferimento per tutti i sistemi chiusi in regime di sospensione pneumatica e di semi-baffle infinito, ovvero diffusori il cui cabinet potrebbe essere di grandi dimensioni ma possedere ancore misure finite. Per dovere di completezza, in figura 5 riporto pure il circuito meccanico equivalente relativo ad un baffle infinito REALE, ovvero dedicato, se ce ne fosse mai uno, a qualche “stravagante” veramente intenzionato a montare degli altoparlanti su di un muro perimetrale della sua abitazione ( sicuramente si tratterrebbe di un “single” altrimenti una moglie “normale” non esiterebbe a cacciarlo di casa immediatamente ! ). Ovviamente le differenze vi saranno dai circuiti precedenti : Le resistenze per assorbenza e per fessurazione diventeranno di valore infinito mentre Mmb, che dipende dal fattore B del Beranek (4), ovvero dal rapporto tra la superficie di radiazione del driver e la superficie del pannello, con un pannello di dimensioni infinitamente grandi rispetto al driver, il fattore B si approssima a 0,86 – 0,87 senza alcun problema. Cmb sparisce ovviamente e la radiazione posteriore, in questo caso può davvero ritenersi totalmente annullata.

fig. 5

QUANDO SI HA UNA SOSPENSIONE E QUANDO UN BAFFLE INFINITO ?
La teoria classica che tutti voi potete leggere sui testi afferma che un sistema è da ritenersi in sospensione pneumatica quando il coefficiente alfa, ovvero il rapporto tra il Vas del driver e il volume effettivo d’aria contenuto nel box è pari o superiore a tre. Per fare un esempio, se possediamo un woofer caratterizzato da un Vas pari a 60 litri, se poniamo tale driver ad operare in un box di 15 litri possiamo considerare il sistema come una sospensione, mentre se portiamo la volumetria del box a 30 litri, il sistema può essere considerato come un baffle infinito.
Vi sono differenti scuole di pensiero sulla validità o meno di tale indice di separazione, vi dirò la mia opinione, fermo restando che essa è personale, quindi opinabile quanto si vuole. Questa suddivisione tra i due sistemi la ritengo errata e ve ne vorrei spiegare il motivo. Un coefficiente alfa pari a tre, il quale traccia il confine tra i due sistemi, provoca un raddoppio della frequenza di risonanza e del fattore di merito del driver, quindi una loro variazione del 100%. Tale variazione è da considerarsi enorme, per cui se poniamo alfa pari a due, ovvero in teoria operiamo in regime di baffle infinito, la variazione nei parametri fondamentali alle prestazioni del sistema in bassa frequenza sarà ancora del 73% ! Quindi se la teoria afferma che l’aria entrocontenuta in un box di un sistema operante in baffle infinito dovrebbe avere un effetto assolutamente trascurabile sui parametri del driver, mi chiedo come una variazione così grande possa essere considerata marginale !
Secondo il mio modesto parere, un sistema in baffle infinito, per essere considerato ragionevolmente tale, dovrebbe essere caratterizzato da un coefficiente alfa molto inferiore all’unità ( per alfa pari ad uno si ottiene ancora una variazione dei parametri del 41% ). In questa maniera la variazione sarebbe contenuta al di sotto del 10-15 %, ovvero potrebbe addirittura rientrare nelle tolleranze tipiche tra driver. In questo caso allora si potrebbe affermare che l’aria nel box assume uncomportamento realmente trascurabile nel computo dei parametri del sistema. Come abbiamo visto nell’esempio precedente, per un valore di alfa pari a 0,4 vi sono ancora salienti incrementi dei parametri caratteristici. Se comunque, alla fine, un valore che segni un confine preciso tra i due sistemi dovrebbe essere canonicamente posto, proporrei di considerare tutti i sistemi chiusi come “simulanti” un baffle infinito qualora il Vas del driver sia inferiore al vab del box, per cui il valore unitario di alfa potrebbe ragionevolmente essere il vero confine. Nella tabella di figura 6 sono rappresentate le entità delle variazioni dei fattori di merito e della risonanza del driver in funzione dell’indice di permissibilità alfa.

fig. 6

Ho potuto spesso notare come ancora oggi tale tabella sia un qualcosa di misterioso per alcuni lettori. Proviamo a fare chiarezza in maniera estremamente semplice su l’impiego del prezioso prospetto ed ad allacciare tale discorso con quello fatto poc’anzi a riguardo della esatta definizione tra i due sistemi. Allora, una volta per tutte segnatevi tale definizione poiché ritengo essa sia la più valida : la tabella degli allineamenti definisce molti dei parametri caratteristici dei diffusori chiusi nei dintorni della risonanza dell’altoparlante e, in linea di massima, in bassa frequenza. Per fare questo, sono stati scelti una serie di valori relativi al fattore di merito totale del sistema Qtc, valori presi come fondamentali e a riferimento poiché essi possiedono particolari caratteristiche di risposta ( figura 7 ).

La tabella degli allineamenti nient’altro ci facilita la vita quando andiamo a scegliere il Qtc per il nostro diffusore e vorremmo immediatamente sapere l’entità di altre grandezze ad esso collegate ed il comportamento del diffusore stesso. Ma vediamo la tabella e le definizioni caratteristiche per ogni valore :
• CD2 – Qtc 0,5 – Criticamente smorzato – Transitoria perfetta.
• BL2 – Qtc 0,577 – Bessel – Massimo ritardo di gruppo piatto.
• QB2 – Qtc 0,65 – Quasi-Butterworth
• B2 – Qtc 0,707 – Butterworth – Massima ampiezza piatta di risposta della risposta in frequenza con il minimo taglio.
• QC2 – Qtc 0,866 – Quasi Chebychev.
• C2 – Qtc 1 – Chebychev – Risposta ellittica, ripple positivo.
• C2 1,1 – Qtc 1,1 – Chebychev – Massima costante di potenza acustica.
• C2 1,4– Qtc 1,4 – Chebychev – Transitoria degradata.
• C2/2 – Qtc 2 – Chebychev – Criticamente sottosmorzato,
transitoria fortemente degradata.
Chiaramente il Qtc andrà scelto a priori, a seconda del tipo della risposta in frequenza che si vuole ottenere, allo smorzamento e ad una serie di fattori che definiscono il comportamento del diffusore in bassa frequenza. Comunque, visto che, sempre si parla di risonanza del sistema, diciamo subito che, in una certa maniera gli indici Qtc ed Fc sono sempre correlati, per cui tale frequenza dovrà rispettare un valore minimo, a seconda del Qtc scelto, per non incorrere in problemi legati principalmente alla rapidità della risposta ai rapidi transienti musicali, quindi alla velocità e qualità musicale dei bassi :
• Per Qtc 0,5 – Fc minima 15 Hz
• Per Qtc 0,577 – Fc minima 17 Hz
• Per Qtc 0,65 – Fc minima 19 Hz
• Per Qtc 0,707 – Fc minima 21 Hz
• Per Qtc 0,866 – Fc minima 25 Hz
• Per Qtc 1 – Fc minima 29 Hz
• Per Qtc 1,1 – Fc minima 32 Hz
• Per Qtc 1,4 – Fc minima 41 Hz
• Per Qtc 2 – Fc minima 59 Hz
Spendiamo ora due parole sulle tabelle sopra riportate e sui loro significati. Nella prima tabella, riguardante gli allineamenti, diciamo subito che, valori di Qtc inferiori ad uno sono caratterizzati da ripple ( ondulazione della risposta alla risonanza ) negativo, ovvero, alla risonanza, la pressione sonora emessa dal trasduttore sarà inferiore a quella in banda utile di trasmissione. Ad esempio, per Qtc pari a 0,65 avremo che ad Fc il livello sarà inferiore di circa 3,7 dB rispetto a quello ottenibile magari a 400 Hz, cioè in banda piatta.
Tutti gli allineamenti con Qtc superiore a 0,707 sono definiti come Chebychev poiché essi non garantiscono più la “piattezza” della risposta ed il minimo taglio causato dalla maggiore ripidità del decremento del livello. Tali allineamenti sono caratterizzati da un certo ripple positivo, ovvero un’enfasi nel livello della risposta in frequenza. Un allineamento Chebychev “puro”, quindicon Qtc pari ad uno, garantisce che il livello in dB di risposta alla frequenza di risonanza eguagli quello ottenibile in banda passante “piatta” ma offre pure una certa enfasi alle frequenze immediatamente superiori, segno di una difficoltà nel controllo dello smorzamento del sistema.
I valori sono contenuti tra valori di Qtc compresi tra lo 0,5 e 2. Il primo valore definisce lo smorzamento “critico” in basso, ovvero il valore da non superare per non incappare in un sistema eccessivamente sovrasmorzato, ovvero incapace di erogare la necessaria potenza acustica in bassa frequenza poiché il “motore” del driver e la molla pneumatica trattengono con eccessivo vigore il movimento del diaframma. Il secondo definisce il valore critico “sottosmorzato” ovvero troppo carente nella capacità di controllare adeguatamente i movimenti dell’equipaggio mobile nei dintorni della frequenza di risonanza, quindi foriero di creare un picco di risposta e un relativo sfasamento assolutamente inaccettabili per il corretto ascolto. E’ comunque possibile realizzare sistemi in cui il Qtc è addirittura inferiore a 0,5 soprattutto se si tratta di sistemi di cubatura interna sostenuta e che impiegano woofer di generose dimensioni, caratterizzati dalla bassa frequenza di risonanza. Tali sistemi sovrasmorzati pare incontrino il gusto di qualche audiofilo, alla ricerca incessante dello smorzamento intrinseco del sistema e della minima pendenza possibile della risposta. Ovviamente la potenza acustica dei bassi sarà fortemente penalizzata ma il sistema opererà lo stesso in tutta sicurezza.
Ovviamente, tutti i valori compresi tra lo 0,5 e 2 di Qtc vanno, in teoria, bene ma nei diffusori per alta fedeltà, raramente il Qtc è superiore a 0,8-0,9, proprio per mantenere caratteristiche ottimali di smorzamento e regolarità del roll-off della risposta, quindi di corretta riproduzione delle basse frequenze. Nella pratica capita che raramente il Qtc del sistema corrisponde esattamente ad uno dei valori teorici presi a riferimento, ad esempio se realizzate un sistema chiuso con Qtc pari a 0,77, le sue caratteristiche saranno una via di mezzo tra quelle possedute da un Butterworth “puro” ( Qtc 0,71 ) e quelle di un Quasi- Chebychev ( Qtc 0,866 ).
L’indice “2” che trovate alla fine di ogni singola denominazione relativa al tipo di allineamento scelto indica semplicemente che la cassa chiusa si comporta, nei confronti della risposta in bassa frequenza del driver, come un filtro passa alto del secondo ordine, per cui il livello di risposta del sistema potrà essere calcolato semplicemente conoscendo il valore di Fc e quello di Qtc.
Allacciamo ora il discorso appena fatto sulla tabella degli allineamenti con quello precedentemente fatto a proposito di differenze tra sospensione pneumatica e baffle infinito.
La tabella degli allineamenti è valida per tutti i sistemi in box chiuso, quindi sia per sospensione che per baffle infinito. Normalmente però, troviamo che, diffusori in sospensione di dimensioni piccole e medie sono contraddistinti da allineamenti di tipo Chebychev, poiché essi riescono a fornire un basso più “presente” anche se meno profondo e smorzato, questo per via di una costante di potenza acustica superiore. Per dare un poco di “peso” in più al suono nella deficitaria bassa frequenza riprodotta da un piccolo diffusore chiuso, si può, oculatamente sfruttare un certo grado di sottosmorzamento del sistema al fine di concedere una leggera enfasi nella risposta nel range di frequenze compreso tra i 70 e i 120 Hz e donare quindi aldiffusore una gamma bassa piuttosto presente anche se dalla curva di risposta più ripida, quindi poco estesa al di sotto della risonanza. Diffusori di dimensioni maggiori, quindi con box di carico ed altoparlanti più grandi, con frequenza di risonanza più bassa, sono invece prerogativa di allineamenti meno ripidi, come il Butterworth ed il Bessel, poiché, alla minore costante di potenza acustica, compensa una risposta maggiormente estesa in basso, generalmente più lineare. Parlando di baffle infinito, invece, quasi sempre troviamo sistemi con valori di Qtc piuttosto alti. Questo perché, quando abbiamo da adoperare un driver dotato di alto fattore di merito totale, il baffle infinito pare la scelta scontata, essendo tale driver assolutamente inadatto per creare sistemi accordati ma anche per la sospensione pneumatica in quanto, a causa della molla d’aria supplementare, il Qtc diverrebbe troppo elevato. Non è raro imbattersi in driver caratterizzati da valori di fattore di merito superiori all’unità. Tali driver sono particolarmente adatti ad operare senza un carico acustico vero e proprio, per cui si finisce quasi sempre per adoperarli in un grande volume chiuso.
CONCLUSIONI.
Spero di essere riuscito nel mio intento, ovvero nel fare un poco di chiarezza in più nel campo dei sistemi chiusi. Le differenze principali sono state accuratamente esposte e spero che questo articolo, nei suoi limiti, diventi materiale didattico per chi, come me, trova interessante anche la teoria che sta alle spalle di un semplice, banale progetto di cassa chiusa. Ringrazio l’amico Siro per l’aiuto offertomi e rimango disponibile alla casella di posta audiojam@libero.it per ogni possibile chiarimento.
(1) Brevetto di E. M. Villchur, da cui derivò il sistema AR- 1.
(2) R. C. Avedon, W. Kooy, J. E. Burchfield, “Audio”, 1959.
(3) Sergio Canini, “Air distortion”, Costruire HiFi numero
33.
(4) Leo L. Beranek “Acoustic”, Bolt Beranek and Newman, Inc.
Mass. Institute of Technology.