Il suono è una sensazione dell'udito causata dal susseguirsi di vibrazioni dell'aria (pressioni e depressioni) dette onde acustiche.

II numero di oscillazioni per secondo, detto frequenza, è misurato in Hertz (Hz).

Un suono si distingue da un altro per la frequenza, l'ampiezza o pressione acustica e per il timbro, ovvero rapporto della fondamentale con le sue armoniche.

L'unità di misura della potenza acustica è il decibel (dB) e quantifica il suono emesso.

L'unità di misura della pressione acustica è il decibel (dB) e quantifica il suono ricevuto.

La soglia di udibilità a 1000 Hz corrisponde per convenzione a 0 dB.

Raddoppiando la distanza di ascolto dalla sorgente, il livello sonoro (pressione) diminuisce di 6 dB.

L'ottava è l'intervallo tra due suoni puri le cui frequenze sono in rapporto 2/1.

La frequenza di risonanza è la frequenza alla quale la resistenza meccanica è nulla, mentre aumenta bruscamente e notevolmente l'impedenza.

Per evitare di perdere la qualità, si fa in modo che la frequenza di risonanza si trovi al di fuori della banda di frequenze riprodotte.

La banda passante è l'estensione dello spettro sonoro che l'altoparlante è in grado di riprodurre.

Per «risposta in frequenza» si considera l'arco di frequenze che vengono riprodotte con uno scarto di 3 dB, oppure entro l'1% di distorsione.

Ogni altoparlante ha due capicorda contrassegnati generalmente da un + e da un - ; altre volte il polo positivo è indicato da un punto colorato.

I capicorda sono differenziati per consentire la messa in fase quando gli altoparlanti sono più di uno.

La riproduzione dei bassi e degli acuti presentano esigenze diverse (opposte): sospensione molto cedevole, massa elevata, grande diametro del cono per i bassi; rigidezza, leggerezza e piccolo diametro per gli acuti.

Da tutto ciò si intuisce come sia difficile realizzare un altoparlante in grado di coprire tutta la banda.

Il woofer è un altoparlante costruito per l'esclusiva riproduzione delle frequenze più basse dello spettro sonoro; la sua risposta si estende, grosso modo, dal limite inferiore della gamma fino ai 2000 Hz.

Il midrange è un altoparlante concepito per la riproduzione della gamma dei suoni medi dai 500 ai 6000 Hz.
I principi costruttivi sono sovente gli stessi dei woofer.

Esistono altre tecnologie costruttive come ad esempio il tipo a cupola.

Le migliori prestazioni sono ottenute proprio con altoparlanti di questo tipo, i «dome-midrange», che hanno il pregio di consentire un angolo di diffusione più ampio.

Il tweeter è un altoparlante che serve per la riproduzione delle frequenze più alte. E il componente più delicato, serve per la rifinitura del suono. Ve ne sono di tradizionali a cono, ma i dome-tweeter sono i migliori.

Quando la membrana di un altoparlante è sollecitata da un impulso elettromeccanico, si sposta dalla posizione di riposo provocando una pressione dell'aria nel senso del moto, ed una depressione nell'altro senso.

Per ottenere il massimo della efficienza e della linearità occorre isolare l'emissione anteriore di un altoparlante da quella posteriore per evitare il cosiddetto cortocircuito acustico: in linea teorica un pannello di grandi dimensioni (baffle infinito) è il sistema ideale.

In pratica si preferisce controllare l'emissione posteriore dell'altoparlante montandolo in un volume (cassa acustica o di risonanza) di dimensioni definite o definibili attraverso i parametri dell'altoparlante.

Le scuole a cui si rifanno i progettisti di diffusori sono essenzialmente due: sospensione pneumatica e bass-reflex.

La prima consiste nel ridurre gli effetti acustici dell'onda posteriore smorzandola in un opportuno volume d'aria ermetico; la seconda, nonchè la più antica, provvede ad utilizzare l'onda posteriore riconvertendola, attraverso una «porta» accordata, in fase con l'emissione anteriore.

Pro e contro dei due sistemi sono lasciati alla valutazione soggettiva: rileviamo come presso parecchi costruttori convivano entrambi, a seconda delle esigenze di progetto.

Allo stato attuale delle conoscenze non è conveniente affidare ad un solo altoparlante la restituzione dell'intera gamma di frequenze audio, pena una riproduzione viziata da elevate distorsioni di tipo lineare, armonico e di intermodulazione.

È consigliabile pertanto suddividere lo spettro audio in due o più bande, ognuna delle quali sarà riprodotta da un altoparlante specifico. (vedi figura a lato)

Infatti un altoparlante di grandi dimensioni, idoneo quindi allo spostamento di grandi volumi d'aria, avrà necessariamente una massa elevata e un'inerzia proporzionale: la sua resa ottimale sarà limitata alla riproduzione delle basse frequenze (WOOFER).

Ovviamente sarà opportuno assegnare la riproduzione delle frequenze più elevate ad altoparlanti di dimensioni e massa via via più ridotti (MID-RANGE e TWEETER).

La suddivisione dello spettro audio in bande entro le quali un altoparlante esprime le sue migliori attitudini, si ottiene mediante un filtro ripartitore di frequenze, tanto più complesso e critico quanto più alto sarà il numero di tagli (vie) che dovrà operare.

Compito del progettista è quello di stabilire, nella scala delle frequenze, il punto di taglio o di incrocio, attorno al quale un altoparlante deve cessare di lavorare ed un altro deve iniziare.

La zona di interferenza, entro la quale entrambi gli altoparlanti emettono le stesse frequenze, è definita dalla «pendenza d'incrocio».

Il progetto di un filtro di cross-over non si limita alla determinazione dei tagli, bensì interviene nel rettificare la curva d'impedenza, di fase e di ampiezza degli altoparlanti.

È evidente quindi che un filtro studiato per armonizzare tra loro determinati altoparlanti, possa non essere idoneo per altoparlanti di caratteristiche diverse.

È la resistenza che la bobina dell'altoparlante oppone al trascorrere delle correnti alternate, e varia col variare della frequenza.

Per convenzione si dichiara un valore medio detto valore nominale.

La curva d'impedenza di un altoparlante varia anche in funzione del carico acustico (frequenza di risonanza) e può essere corretta mediante il filtro di cross-over.

La frequenza di risonanza è la frequenza alla quale la resistenza meccanica è nulla, mentre aumenta bruscamente e notevolmente l'impedenza.

Più la curva d'impedenza raggiungerà valori minimi, maggiori sollecitazioni saranno imposte all'amplificatore.

Il valore nominale per l'amplificazione domestica è di 8 ohm, mentre per l'amplificazione in auto scende a 4 ohm.

Seguendo passo per passo le seguenti istruzioni potremo realizzare il ns. diffusore senza incontrare ostacoli.

Per determinare il volume interno di un diffusore acustico è necessario conoscere e/o stabilire alcuni parametri:

Fs (Hz) frequenza di risonanza dell'altoparlante in aria libera.

Qts fattore di merito totale del-l'altoparlante in aria libera.

Vas (m3) volume d'aria equivalente alla cedevolezza dell'alto-parlante.

Vb (litri) volume interno del diffuso-re acustico.

Fc (Hz) frequenza di risonanza della cassa chiusa.

Fb (Hz) frequenza di risonanza della cassa reflex.

Qtc fattore di merito totale della cassa chiusa.

S tipo di allineamento reflex.

Lv (cm) lunghezza tubo di accordo reflex.

Sv (cm2) superficie tubo di accordo reflex.

Per altoparlanti con Qts inferiore a 0,5 si consiglia il montaggio in bass-reflex.

Per altoparlanti con Qts superiore a 0,5 si consiglia il montaggio in cassa chiusa.

È bene tenere conto, in entrambi i sistemi, della diminuzione del volume dovuta all'ingombro interno di componenti.

LA TIMBRICA

I parametri S e Qtc, rispettivamente, tipo di allineamento reflex e fattore di merito totale della cassa chiusa, hanno particolare influenza sulla resa timbrica, alle basse frequenze, del diffusore.

Bassi valori di S e di Qtc assicurano al diffusore una timbrica più morbida. Alti valori di S e di Qtc rendono invece la timbrica del diffusore più aggressiva. La scelta di tali valori è lasciata alla valutazione soggettiva.

I valori che comunque consigliamo di adottare sono:

S = 4 ÷ 8 nel sistema a cassa aperta (bass-reflex)

Qtc = 0,7 ÷ 1 nel sistema a cassa chiusa (sospensione pneumatica)

Tuttavia, per agevolare tali operazioni, è stata predisposta tutta una serie di progetti già definiti e realizzabili con caratteristiche e prestazioni di potenza, timbrica e dinamica tali da soddisfare anche il più esigente degli audiofili.

BASS-REFLEX

Dal fascio di curve riportate sceglieremo il tipo di allineamento (S) che intendiamo adottare.

Il volume interno del mobile (Vb) è dato da:

L'accordo

La frequenza di risonanza del sistema reflex (Fb) è data da:

Per evitare eccessive turbolenze utilizzeremo un tubo d'accordo di diametro non inferiore ai 5 cm.

Noto il diametro del tubo (Dv) stabiliamo la sua superficie (Sv):



Ora definiamo la relativa lunghezza (Lv):

SOSPENSIONE PNEUMATICA

Dal fascio di curve riportate sceglieremo il valore di Qtc che intendiamo adottare.

La frequenza di risonanza del sistema chiuso (Fc) è data da:



Il volume interno del mobile (Vb) è dato da:

IL DIFFUSORE ACUSTICO. CRITERI COSTRUTTIVI

II progetto di una cassa acustica deve essere redatto in funzione dei parametri del woofer.

Le scuole a cui si rifanno i progettisti di diffusori sono essenzialmente due: sospensione pneumatica e bass-reflex.

I diffusori a sospensione pneumatica sono caratterizzati dal mobile completamente chiuso il quale impedisce che il volume d'aria interno entri in qualche modo in comunicazione con l'esterno; questo volume d'aria agisce come un vero e proprio sistema di sospensione elastica della membrana degli altoparlanti, frenandone o meno l'escursione e quindi influenzandone la risposta in frequenza.

Nei diffusori bass-reflex l'onda emessa posteriormente dal woofer viene invece convogliata verso l'esterno tramite un'apposita apertura del mobile (collegata nella maggioranza dei casi ad un condotto interno di forma tubolare detto tubo di accordo); l'onda frontale che si propaga direttamente nell'ambiente e quella posteriore, che esce dall'apertura, risultano in un rapporto reciproco di fase tale da rinforzare l'emissione delle basse frequenze.

Per quanto riguarda la forma del mobile, il parallelepipedo è senz'altro la più diffusa, grazie al buon compromesso tra praticità e prestazioni.

L'altezza non deve essere troppo grande rispetto alle altre due misure per evitare di costruire delle colonne d'aria con il risultato di produrre dannose onde stazionarie.

Gli studi di Thiele consigliano di far assumere al rapporto profondità/larghezza/altezza i valori di 0,8/1/1,25.

Il requisito richiesto è la più alta rigidità possibile, per cui un diffusore in calcestruzzo armato è di gran lunga più affidabile del legno.

Il materiale che presenta un compromesso ottimale tra prestazioni e prezzo è il legno truciolare, le cui caratteristiche di smorzamento acustico migliorano con l'aumentare della densità del materiale.

Lo spessore del legno può essere compreso approssimativamente tra i 15 e i 30 mm, a seconda delle dimensioni.

Si tenga presente che uno spessore maggiore non guasta mai.

D'altra parte pannelli di spessore più grande facilitano la costruzione del mobile perchè è più agevole mantenere i pezzi tra loro perpendicolari durante il tempo di presa della colla, inoltre le superfici a contatto sono maggiori per cui si ottiene un incollaggio più tenace ed un insieme più robusto.

Le giunture delle quattro pareti laterali della cassa (i due fianchi, il sotto ed il sopra) possono essere realizzate:

a) con taglio diritto e sopravanzo;
b) con taglio a 45°;
c) con incastri di vario tipo.

II truciolare può essere incollato utilizzando prodotti a base di ureaformaldeide (Pattex) che non contengono acqua; si possono altrimenti usare colle all'acetato di polivinile (Vinavil) purchè siano del tipo ad alta viscosità.

Molto importante: NON LESINARE SULLA QUANTITA DELLA COLLA !!

La procedura migliore per incollare due pannelli consiste nello spalmare della colla lungo le giunzioni ed unirli facendo in modo che rimangano immobili e possibilmente in pressione.

A tale scopo risultano molto utili i grossi morsetti da falegname chiamati sergenti, ma si potrebbero unire semplicemente tenendoli con alcuni chiodi, che comunque si consiglia di piantare in ogni caso.

Uniti i pannelli sarà bene spennellare tutte le congiunzioni riempendo le fessure di colla.

Il tempo di presa è di qualche ora: in pratica, di solito, si lasciano i pezzi ad asciugare per una notte.

Solo una perfetta giunzione tra i vari pannelli potrà garantire una perfetta ortogonalità dell'insieme ed anche una tenuta d'aria ottimale, fattore assai importante per tutti i diffusori.

Proprio a questo fine è consigliabile applicare all'interno del mobile, in corrispondenza di queste giunzioni, appositi listelli che possono oltretutto contribuire ad irrobustire ed irrigidire la struttura, in modo da smorzarne le vibrazioni residue, soprattutto se il volume del mobile è molto elevato (superiore a 80/100 litri), ma anche se il diffusore è di piccole dimensioni, quattro listelli di rinforzo e sigillatura non dovrebbero mai mancare.

Ed eccoci alla fase di rifinitura esterna del mobile del diffusore.

E bene che questa operazione venga compiuta prima del montaggio degli altoparlanti per evitare di danneggiare con urti, vernici od altro, i vari trasduttori. I principali metodi per la rifinitura esterna del mobile sono:

a) verniciatura;
b) rivestimento con materiali autoadesivi;
c) impiallacciatura.

La prima operazione da eseguire, qualunque tipo di rifinitura si sia scelto, è senz'altro quella della lisciatura e della preparazione delle superfici esterne. Occorre quindi cominciare a pareggiare le giunture, a piallare o limare gli spigoli troppo sporgenti.

Quindi bisogna stuccare tutti i buchi e tutte le giunture (incavi, eventuali fori per le teste delle viti, ma soprattutto gli spigoli del mobile) con un pò di stucco per legno.

Si provvede poi alla carteggiatura di tutto il mobile con carta vetrata abbastanza sottile, quindi si applica una mano di vernice di fondo e si carteggia nuovamente.

La cassa è così pronta per le successive operazioni di rifinitura.

Per la verniciatura, dopo il trattamento precedentemente descritto, si potranno applicare direttamente le mani di vernice (almeno due). Si tenga presente che se si vuole che la superficie finale sia ben liscia, i vari piani vanno perfettamente levigati prima dell'ultima mano.

Nel rivestimento con materiali autoadesivi bisogna stare molto attenti a fare un bel lavoro sugli spigoli anteriori, che sono quelli in vista.

L'impiallacciatura consiste in un foglio di legno pregiato molto sottile (e fragile) che viene incollato sulla superficie grezza e poi lucidato; praticamente molti dei mobili in commercio sono realizzati con questo sistema.

Le griglie da apporre al pannello frontale non migliorano certo le caratteristiche dei diffusori ma contribuiscono, in modo più o meno efficace, a proteggere gli altoparlanti dalla polvere o da danneggiamenti accidentali delle membrane.

Il metodo più diffuso e semplice consiste nel far uso di stoffa tesa su un telaio ad un pannello rimovibile, in legno, plastica o masonite.

Particolarmente indicati sono i tessuti leggeri elasticizzati a trama larga; da evitare invece tutti quei tessuti a trama fissa che soffocherebbero l'emissione di alte frequenze, compromettendo di conseguenza la resa acustica.

Gli altoparlanti possono essere fissati sul baffle frontale dall'interno o dall'esterno: questo secondo sistema è tutto sommato preferibile ed oggi più diffuso. Infatti con il montaggio dall'interno, lo spessore del legno del pannello frontale, può causare delle riflessioni disturbanti l'onda sonora emessa dal trasduttore.

Se non si prendessero delle precauzioni, all'interno di ogni diffusore acustico sarebbe possibile l'insorgere di un fenomeno particolarmente dannoso per la qualità di riproduzione: le onde emesse posteriormente dal trasduttore verrebbero riflesse sulle superfici interne delle pareti del mobile, provocando una evidente distorsione.

Inoltre potrebbero verificarsi altri dannosi fenomeni di insorgenza di onde stazionarie e di risonanza.

Per annullare o comunque minimizzare tale effetto, all'interno della cassa si trova dell'assorbente acustico in quantità variabile da un minimo necessario a ricoprire tutte le pareti (ad eccezione del pannello frontale) ad un massimo corrispondente al riempimento della cassa; in generale si cerca una soluzione di equilibrio, perchè con l'aumentare della quantità di assorbente impiegato, varia l'efficienza del diffusore.

Il tipo di assorbente acustico più usato è la lana di vetro di media densità (25/35 Kg/mc) perchè abbastanza economico ma di ottime caratteristiche.

PROGETTO DI UN CROSSOVER

Fino a qualche anno fa, la potenza del segnale amplificato, veniva inviata tutta ad un unico altoparlante a gamma estesa ed il povero trasduttore si trovava ad emettere suoni composti da una serie di frequenze, alcune delle quali erano tagliate dalla struttura meccanica dell'altoparlante stesso, quindi l'ascolto, in realtà, veniva ristretto ad una gamma di frequenze che non era così estesa come si voleva pretendere.

Il crossover opera la ripartizione delle frequenze tra i vari altoparlanti in modo che ciascuno di essi si trovi a lavorare nella gamma per il quale è stato concepito, garantendo così una migliore qualità di riproduzione.

I componenti facenti parte di un crossover sono principalmente resistenze, condensatori ed induttanze.

Le resistenze hanno il compito di opporsi al passaggio della corrente. Tra le varie funzioni, quella di attenuare il livello di emissione di un trasduttore e di intervenire sulla sua impedenza.

Caratteristica dei condensatori è quella di aumentare la resistenza (reattanza) al passaggio di una corrente, col diminuire della frequenza.

Le induttanze hanno attitudine inversa a quella dei condensatori, ovvero aumentano la reattanza all'aumentare della frequenza.

Un filtro funziona come una specie di setaccio: blocca certe frequenze, ne lascia passare altre.

La parte del crossover che controlla il woofer, ad esempio, lascia passare solo le frequenze basse, minori cioè di un determinato valore che si sceglie in funzione delle caratteristiche dell'altoparlante; analogamente la sezione che controlla il tweeter lascia passare solo le frequenze superiori ad un limite minimo stabilito.

Nel caso di un diffusore a due vie, il massimo valore riproducibile dal woofer dovrà evidentemente coincidere col limite inferiore del tweeter: ad esempio se quest'ultimo può riprodurre frequenze superiori ai 3000 Hz, toccherà al woofer coprire tutta la gamma al di sotto di questo valore.

In un diffusore a tre vie, in cui cioè è presente anche un midrange, non sarà necessario che il tweeter scenda fino a 3000 Hz, ne che il woofer raggiunga questo valore, perchè sarà compito del midrange riprodurre la gamma compresa, ad esempio, fra gli 800 e i 6000 Hz: in questo caso il crossover dovrà inviare al woofer tutte le frequenze inferiori agli 800 Hz, per mezzo di un filtro passa-basso; il tweeter invece riceverà, attraverso un passa-alto, solo e tutti i suoni superiori a 6000 Hz.

Il crossover dovrà quindi possedere una terza sezione, cioè un filtro passa-banda, che blocchi le frequenze inferiori a 800 Hz e superiori a 6000 Hz, lasciando passare solo la banda compresa fra i due valori che rappresentano le frequenze di incrocio del crossover.

Le principali caratteristiche di un filtro sono: il numero delle vie, l'impedenza, le frequenze di incrocio (o di taglio) e la pendenza di attenuazione.

Le frequenze di incrocio (riferite a -3 dB rispetto alla banda passante) sono quelle alle quali un altoparlante smette di funzionare ed incomincia un altro.

In un due vie, quindi, si avrà una sola frequenza di incrocio, in un tre vie saranno due, etc...

La pendenza di attenuazione (espressa in dB/oct) determina la ripidità di caduta della risposta dei singoli altoparlanti.

Nessun filtro è in grado di tagliare bruscamente le frequenze al di là di un limite, ma da un certo punto in poi comincia un'attenuazione progressiva della potenza che raggiunge l'altoparlante.

Riferendoci alla figura, osserviamo che nella zona compresa fra i 1500 Hz e i 4500 Hz lavorano entrambi gli altoparlanti, ma nessuno dei due riceve il 100% della potenza applicata: in questo modo la risposta rimane lineare, perchè dove il woofer riproduce con una attenuazione del 10%, il tweeter cala invece del 90% e viceversa; alla frequenza di incrocio entrambi ricevono il 50% della potenza totale.

Se la zona in cui gli altoparlanti lavorano insieme è più ridotta, significa che la pendenza di attenuazione è maggiore.

La maggior ripidità di taglio riduce la sovrapposizione di emissione dei due trasduttori e protegge più efficacemente il tweeter dalle basse frequenze.

Per contro i filtri più ripidi prevedono l'impiego di un maggior numero di componenti e presentano maggiori difficoltà di progettazione.

Da quanto sopra esposto risulta evidente che un filtro studiato per armonizzare tra loro determinati altoparlanti, può non essere idoneo per altoparlanti di caratteristiche diverse per cui è poco consigliabile abbinare un crossover senza un minimo di analisi preventiva, in quanto si potrebbe restare oltremodo delusi dal risultato finale.

Quando si progetta una cella filtrante è necessario conoscere la frequenza di taglio, la pendenza di attenuazione e le caratteristiche del carico.

Le caratteristiche del carico (altoparlante) sono da considerarsi il punto nodale per il progetto di un crossover.

Il concetto da tenere in evidenza è che un trasduttore acustico non presenta mai la caratteristica di una resistenza puramente ohmica, bensì è un'impedenza composita, comunque per i nostri esempi considereremo il carico con il valore nominale dell'impedenza (Z), questo non ci consentirà grossi equivoci di fondo e ci permetterà un calcolo sufficientemente apprezzabile.

CELLA DI EQUALIZZAZIONE

Per fare in modo che l'impedenza di un altoparlante si mantenga costante, naturalmente entro certi limiti, a volte può essere utile inserire una rete di correzione per equalizzare l'andamento del modulo dell'impedenza, inserendo in parallelo all'altoparlante una serie composta da una resistenza ed un condensatore come mostrato in figura:

Le difficoltà di progettazione per un autocostruttore possono essere tali da consigliare l'utilizzo di uno dei filtri espressamente predisposti, ma con questa trattazione abbiamo potuto vedere quanto sia importante avere un approdo di tipo tecnico alle problematiche dei filtri; ciò consente una progettazione ed una realizzazione ottimale ed esente da problemi che potrebbero insorgere per la non corretta conoscenza dei fenomeni e delle leggi che regolano il campo in esame.

INDUTTANZE

Le induttanze sono componenti tali da presentare, quando attraversati da una corrente alternata, una reattanza (resistenza) proporzionale alla frequenza.

L'induttanza dunque lascia passare le frequenze basse; quando la frequenza cresce essa presenterà una reattanza sempre maggiore costituendo quindi un filtro passa-basso che potrà essere inserito in serie al woofer per fargli giungere solo la parte inferiore dello spettro audio.

Il supporto sarà realizzato con cartone, legno o altro materiale isolante (il metallo altererebbe il valore dell'induttanza); si userà del filo di rame smaltato (la smaltatura serve ad assicurare l'isolamento fra le spire) avvolto non alla rinfusa ma ordinatamente in strati successivi come, ad esempio, nei rocchetti di stagno.

Esiste una formula, detta di Weeler, per calcolare il numero delle spire per ottenere un determinato valore dell'induttanza per certe misure del rocchetto; con riferimento alla figura:

Facciamo un esempio:

supponiamo di voler realizzare una induttanza del valore di 0,09 mH su di un rocchetto le cui dimensioni sono:

a = 10 mm; b = 23,5 mm; c = 9 mm:

Talvolta il progetto redatto richiede delle induttanze non reperibili in commercio.

A tale scopo la tabella sotto riportata fornisce un'ampia gamma di valori intermedi ricavabili dalle induttanze già espressamente predisposte, ottenibili semplicemente sottraendo il numero di spire necessario al raggiungimento del valore desiderato.

tratto dal catalogo Coral 1984