Sistemi multipolari

Ultrasound

Sistemi Multipolari

Sommario

Premessa

I Sistemi MULTIPOLARI

HORNBLOWER, PRAXIS, EXCALIBUR

Premessa

Il sistema diffusori acustici – ambiente d’ascolto è per molti aspetti quello che maggiormente condiziona la qualità di riproduzione musicale domestica. Gli impianti Hifi odierni, anche i migliori, non riescono a ricostruire le stesse sensazioni di un ascolto dal vivo, a causa delle enormi differenze sotto il profilo acustico. Per migliorare la qualità di riproduzione domestica il primo passo da fare è quindi di rendersi conto di queste differenze e trovare poi il modo di ridurle.

Differenze tra ascolto di musica dal vivo e di musica riprodotta

Se si vogliono provare a casa le stesse sensazioni che si provano dal vivo è innanzitutto necessario stabilire da quali fattori traggano origine tali sensazioni. Vengono considerati i seguenti tre fattori essenziali: dinamica, spazialità, trasparenza. Questi tre fattori costituiscono la differenza principale tra la musica dal vivo e la musica riprodotta in ambienti domestici.

DINAMICA: gli esperimenti condotti in condizioni tipiche di ascolto dal vivo indicano che un singolo strumento acustico può produrre un livello sonoro di picco compreso tra i 110 e i 130 dB; la voce umana può produrre livelli superiori a 110 dB. Un'orchestra produce un livello totale pari alla somma di quelli prodotti da ognuno degli strumenti impiegati; in una sala da concerto il livello dipende ovviamente dalla distanza di ascolto e nelle prime file può raggiungere i 130 dB di picco durante i transitori di maggiore intensità. Tali livelli sonori (130 dB) sono almeno 10 volte superiori a quelli mediamente raggiungibili dagli impianti di riproduzione ad alta fedeltà. D'altra parte, il rumore di fondo presente nelle sale da concerto è in genere ben inferiore a quello degli ambienti domestici. Se si considera una differenza anche di soli 10 dB nel rumore di fondo, risulta che la differenza di dinamica tra ascolto dal vivo e ascolto di musica riprodotta da un ottimo impianto hi-fi in un locale silenzioso si può stimare in circa 30 dB nella migliore delle ipotesi. Nella grande maggioranza dei casi pratici questi valori sono largamente superati (tipico rumore di fondo di 50 dB con livelli massimi di poco più di 100 dB) e la dinamica di un evento musicale riprodotto è anche 1000 volte inferiore a quella dello stesso evento dal vivo. Questo fatto condiziona in modo pesantissimo la qualità dell'ascolto: ad una maggior dinamica corrisponde sicuramente una maggior qualità. E' opportuno ricordare che si intende per dinamica l'intervallo tra il livello massimo e minimo riproducibile; poiché il livello minimo è limitato dal rumore ambientale, la qualità dinamica di un altoparlante è legata al massimo livello indistorto riproducibile. Date le note limitazioni presenti negli ambienti domestici, se si vuole un ascolto realistico è necessario impiegare sistemi in grado di produrre livelli di picco dell'ordine di 130 dB. Questo valore può a molti sembrare esagerato, ma non è così, come dimostrato dai seguenti esempi: durante un assolo di batteria (esecuzione dal vivo) sono stati misurati 128 dB di picco, con un livello medio di poco superiore ai 90 dB; durante la riproduzione di un CD (uno di quelli in cui viene sfruttata la dinamica del supporto, con la classica scritta WARNING! in copertina) sono stati registrati 121 dB di picco a 5 metri da una coppia di mini diffusori, con un livello medio di 86 dB. Come si vede, pur in presenza di un livello medio non elevatissimo (potenza RMS ben inferiore a 1 Watt), in entrambi i casi il livello di picco è ampiamente superiore a 120 dB (nel caso della riproduzione di un CD il livello di picco è stato limitato dalla potenza dell'amplificatore utilizzato e dal fatto di aver impiegato un mini diffusore; inoltre l'ambiente era caratterizzato da un assorbimento notevole: T₆₀compreso tra 0.7 sec. alle basse frcquenze e 0.3 sec. alle medio-alte). Si ribadisce quindi che se si vogliono ottenere in casa le stesse sensazioni che si provano durante un concerto, si deve avere una dinamica comparabile, intesa sostanzialmente come livello massimo di picco riproducibile. Nella musica questi picchi hanno un valore elevato, tuttavia la loro durata è in genere molto breve, cosicché l'energia ad essi associata è anch'essa limitata: non si devono quindi confondere 130 dB di picco con 130 dB di livello medio (come si è visto, a 130 dB di picco possono corrispondere 90 dB di livello medio, ovvero un valore di pressione acustica 100 volte inferiore). Se si vuole un ascolto realistico e coinvolgente, l'impianto di riproduzione deve essere in grado di riprodurre questi picchi al livello corrispondente a quello dal vivo.

SPAZIALITÀ: la spazialità di un sistema di riproduzione è strettamente legata al tipo di radiazione impiegato nella sorgente, mentre il risultato acustico complessivo dipende ovviamente anche dalla tecnica microfonica utilizzata in fase di registrazione. La stragrande maggioranza dei diffusori adotta una radiazione di tipo monopolare (fig. 1a): questo è ciò che si ottiene, infatti, montando un altoparlante (che di per se è un dipolo, essendo costituito da una membrana vibrante le cui due superfici irradiano in opposizione di fase) in una cassa che assorba la radiazione posteriore, teoricamente cancellandola. Nel caso ideale la sola radiazione anteriore della membrana raggiungerebbe l'ascoltatore con una componente diretta ed una indiretta (data dalle riflessioni sulle pareti dell'ambiente di ascolto). Con una radiazione di questo tipo, lo sfasamento temporale tra onda diretta e onda riflessa è, in un normale ambiente domestico, molto piccolo. Essendo le informazioni relative alla spazialità e all'ambienza legate allo sfasamento esistente tra le componenti diretta e riverberata, con un diffusore che abbia una radiazione di tipo monopolare la spazialità che si riesce a percepire è limitata. Un notevole vantaggio in termini di estensione della scena acustica può invece essere conseguito mediante l'impiego di un sistema dipolare (fig. 1b), nel qual caso alla radiazione diretta si somma la componente riflessa (dovuta principalmente alla superficie posteriore della membrana vibrante, che irradia in direzione opposta e con uno sfasamento di 180°) che giunge all'ascoltatore attenuata e con notevole ritardo: una situazione abbastanza simile a quella che si verifica in un ascolto dal vivo. Un ulteriore passo avanti nella ricostruzione della scena acustica può essere fatto utilizzando un multipolo (fig. 1c) al posto di un semplice dipolo. In questo modo, infatti, è possibile esercitare un notevole controllo sul diagramma di irradiazione; in teoria, variando il numero e la posizione relativa dei trasduttori impiegati, si può realizzare qualsiasi tipo di diagrarnma. Nell'esempio riportato in figura 1c sono evidenti dei lobi principali più schiacciati rispetto ad un semplice dipolo; si nota inoltre la comparsa di lobi secondari di minore entità. Ciò che in pratica si ottiene è una più accentuata direttività della radiazione principale unitamente ad un aumentato numero di componenti secondarie indirizzate lungo direttrici opportune. Questa situazione si avvicina ancora di più a quanto avviene nelle esecuzioni dal vivo, consentendo di ottenere una elevata sensazione di verosimiglianza della scena acustica.

TRASPARENZA: in caso di ascolto domestico è solitamente impossibile cogliere molti dei dettagli e delle sfumature che invece si percepiscono dal vivo. Ciò è dovuto al fatto che una buona parte delle informazioni contenute nell'evento originale vanno perse: una piccola parte va perduta in fase di produzione del disco, una quantità invece molto più consistente durante il processo di riproduzione. La perdita di informazioni che si verifica durante la riproduzione è da imputarsi sia alla scarsa risoluzione degli impianti, sia alle scadenti caratteristiche acustiche dei locali domestici, sia alla presenza di un elevato rumore di fondo. Quest'ultimo condiziona, ovviamente, il livello minimo udibile, dato che il nostro orecchio non può interpretare correttamente suoni il cui livello non sia sensibilmente superiore a quello del rumore di fondo. Per quanto riguarda gli impianti di riproduzione, il limite principale è rappresentato proprio dai trasduttori elettroacustici. In primo luogo, altoparlanti di bassa qualità non sono in grado di riprodurre accuratamente il segnale musicale: a causa della loro lentezza gli altoparlanti tendono piuttosto ad immagazzinare e rilasciare l'energia secondo costanti di tempo molto maggiori di quelle richieste dal segnale musicale. Ciò in pratica comporta che tutti i transitori dotati di fronte di salita sufficientemente ripido e di ampiezza non particolarmente elevata non vengono riprodotti dall’altoparlante. La situazione è in realtà ben peggiore, poichè è necessario considerare anche gli effetti introdotti della cassa acustica e dal crossover, il cui contributo al peggioramento della trasparenza è in genere notevolmente superiore a quello dell'altoparlante stesso. Tutto ciò si traduce nella perdita delle informazioni associate ai segnali di basso livello, con una sostanziale riduzione della sensazione di trasparenza. In secondo luogo, è necessario tenere conto delle non-linearità presenti nel processo di trasferimento dell'energia acustica: forse non molti sono a conoscenza del fatto che solo fino ad un certo valore di pressione - stimabile in circa 100dB - vi è proporzionalità diretta tra la velocità di vibrazione delle particelle del mezzo elastico di trasrnissione (l’aria) e l’intensità acustica (che è la pressione per unità di superficie). In termini più semplici, si può dire che l'aria, cioè il mezzo entro il quale avviene la trasmissione di energia acustica, è lineare solo per segnali di intensità limitata. Dato che la pressione è data dall’intensità per la superficie di emissione, se ne conclude che è meglio avere poca intensità e grande superficie radiante piuttosto che grande intensità con piccole superfici radianti (in quest’ultimo caso si superano i limiti di linearità dell’aria). Ora, la sostanziale differenza che si verifica da questo punto di vista tra ascolto dal vivo e ascolto di una riproduzione è che nel primo caso la densità di energia acustica è, a parità di potenza sonora irradiata, molto più bassa rispetto all’ascolto domestico, poichè la superficie emissiva è molto più estesa. Ad esempio, se si considera un'orchestra che irradia una potenza sonora di 10 W (acustici, corrispondenti a circa 120 dB), si avrà una intensità nei pressi della sorgente dell'ordine di qualche centesimo di watt per metro quadrato; se la stessa potenza sonora venisse erogata da un altoparlante con superficie emissiva pari a 0.013 m² (un mid-woofer da 6", cioè 16 cm.) l'intensità acustica sarebbe invece di circa 750 W/m², cioè circa 10000 (!) volte superiore, con conseguente non-linearità dovuta al superamento dei valori massimi consentiti. Per evitare ciò è opportuno cercare di avere la superficie radiante più ampia possibile in modo da minimizzare l'intensità acustica a parità di pressione generata. D'altra parte, un'ampia superficie emissiva favorisce anche l'ottenimento di un elevato rendimento di trasduzione e di una buona impedenza acustica; ciò si traduce in un buon interfacciamento sia con l'amplificatore sia con l’ambiente. Quando ciò non accade, buona parte dell'energia inviata dall'amplificatore ai trasduttori viene riflessa verso l'amplificatore stesso e non convertita in onde di pressione, con conseguente perdita di trasparenza dovuta alle riflessioni presenti sulla linea di collegamento. Si considerino, a titolo di esempio, le caratteristiche comuni a tutti i sistemi planari, noti per la loro spazialità e trasparenza: le membrane vibranti sono molto estese, consentendo una bassa densità di energia a parità di pressione ed un'ottima impedenza acustica; sono inoltre leggere e, di norma, non prevedono casse acustiche e crossover. Questo consente di ottenere una notevolissima trasparenza, nonostante il rendimento di questi sistemi sia sempre molto basso; la spazialità è chiaramente dovuta al tipo di emissione, che prevede anche una radiazione posteriore.

I Sistemi Multipolari

Tenendo conto di quanto sopra esposto, sono stati realizzati alcuni sistemi di altoparlanti intesi a migliorare la riproduzione sotto il profilo della dinamica, della spazialità e della trasparenza. Il primo prototipo ha richiesto un lavoro di ricerca e sviluppo di circa 10 anni, mentre il prodotto definitivo ha visto la luce solo dopo un ulteriore periodo di affinamento che ha richiesto, tra le altre cose, la totale riprogettazione della sezione deputata alla riproduzione delle basse frequenze, sicuramente il punto più critico di qualsiasi diffusore. Infatti, se è vero che la cassa acustica propriamente detta è responsabile di un decadimento delle prestazioni musicali, è altrettanto vero che senza di essa è impensabile ottenere una dinamica accettabile alle basse frequenze: per superare questa impasse, è stato sviluppato un nuovo e particolare sistema di riproduzione delle basse frequenze, denominato "DuaI Balanced Line" (DBL). Il sistema DBL prevede l'impiego di due linee di trasmissione destinate a compensarsi a vicenda. Una linea di trasmissione presenta infatti, nella sua risposta in frequenza, una serie di anomalie la cui ampiezza ed il cui fattore di merito dipendono dalle caratteristiche geometriche della linea stessa (in pratica dalla sua lunghezza), nonchè dal materiale attraversato dall'onda di pressione.

In sostanza una linea di trasmissione altro non è che un condotto all'interno del quale si propaga l'onda di pressione generata dall'altoparlante (in genere si sfrutta la radiazione posteriore della membrana). Quando l'onda di pressione raggiunge l'estremità del condotto viene riflessa verso l'altoparlante. Ciò si verifica a prescindere dal fatto che il condotto sia chiuso o aperto, in considerazione della brusca variazione di impedenza acustica che si ha all'estremità del condotto stesso. In entrambi i casi, le onde di pressione generate dalla membrana viaggiano in una direzione, mentre le onde riflesse dall'estremità del condotto viaggiano in direzione opposta. A seconda della frequenza in gioco, queste onde possono sommarsi in fase, producendo una esaltazione nella risposta, oppure in controfase, con conseguente effetto di cancellazione ed attenuazione della risposta. Le frequenze a cui si verificano queste anomalie dipendono principalmente daIla lunghezza del condotto, mentre la loro entità dipende dal materiale attraversato dalle onde all'interno del condotto. In genere, si usa disporre all'interno del condotto del materiale fibroso così da aumentare la lunghezza apparente della linea di trasmissione, estendendone la risposta a bassa frequenza (la velocità di propagazione del suono in questi materiali è più bassa rispetto all'aria) riducendo al tempo stesso l’entità delle irregolarità nella risposta. Purtroppo, tale accorgimento riduce anche notevolmente l'efficienza.

Fig. 2 Risposta simulata della linea chiusa

II principio su cui si basa il sistema DBL è invece molto semplice ed elegante: si tratta di accoppiare due linee di trasmissione in modo che le esaltazioni dell'una corrispondano alle attenuazioni dell'altra e viceversa; in questo modo si riesce ad avere una risposta regolare senza perdere nulla dell'efficienza intrinseca del sistema.

Fig. 3 Risposta simulata della linea aperta

Fig. 4 Risposta simulata del sistema DBL. La curva rossa è relativa ad una tipica collocazione in ambiente ( sistema a 2 metri dalla parete di fondo e 1 metro da quella laterale )

Nel sistema DBL questo risultato è stato ottenuto sfruttando il fatto che un condotto chiuso ed un condotto aperto risuonano a frequenze diverse. Il sistema DBL è pertanto completamente diverso dall'Acoustic Wave proposto dalla BOSE che impiega due linee di trasmissione aperte e di lunghezza diversa che agiscono sulle due facce della membrana di uno stesso altoparlante; il sistema DBL prevede invece l'impiego di due altoparlanti distinti le cui radiazioni posteriori eccitano in un caso un condotto chiuso (fig. 2), nell'altro un condotto aperto (fig. 3), mentre le radiazioni anteriori sono di tipo diretto. La risposta in frequenza complessiva, data dalla somma delle risposte delle due linee, è riportata in figura 4 dove si può notare la discreta regolarità e l'estensione alle bassissime frequenze, soprattutto in ambiente. Per ottenere gli obiettivi desiderati tutti i trasduttori sono stati sviluppati e costruiti appositamente. La superficie emissiva totale è di circa 2000 cm², in modo da mantenere l'intensità acustica sufficientemente bassa, mentre per aumentare la dinamica la corsa lineare dell'equipaggio mobile è di quasi 2 centimetri. I trasduttori realizzano ovviamente un sistema di irradiazione multipolare per conseguire i vantaggi in termini di spazialità da esso derivanti. Lo scotto da pagare è una notevole difficoltà di messa a punto, dovuta alla presenza dei lobi di irradiazione secondaria che impongono una lunghissima serie di prove in ambienti con caratteristiche di assorbimento diverse per poter arrivare alla definizione del numero ottimale di trasduttori e della reciproca posizione degli stessi. Dato l'impiego del sistema DBL, non vi è alcuna cassa acustica propriamente detta, mentre la realizzazione di altoparlanti che implementano acusticamente le funzioni di trasferimento richieste dal progetto ha permesso di eliminare il crossover. Questo primo prototipo di diffusore multipolare ha in seguito dato origine al modello HORNBLOWER.

HORNBLOWER, PRAXIS, EXCALIBUR

EXCALIBUR HORNBLOWER PRAXIS

A tutt'oggi sono stati messi a punto tre distinti modelli di diffusori multipolari; il primo rappresenta il riferimento, fa uso del sistema DBL (Double Balanced Line) ed è stato per questo chiamato HORNBLOWER; il secondo diffusore invece implementa nel modo più semplice possibile una radiazione di tipo multipolare ed è stato pertanto chiamato PRAXIS. Il modello EXCALIBUR nasce dall’esigenza di ottenere un maggior impatto in gamma bassa ed una collocazione in ambiente più libera; il sistema è costituito da una base piramidale (la roccia) sulla quale si inserisce un pannello lungo e stretto (la spada), da cui il nome. Di seguito si illustrano per sommi capi le caratteristiche dei tre sistemi, affrontando separatamente le modalità di radiazione e gli aspetti energetici.

Sistema HORNBLOWER

Il sistema HORNBLOWER impiega per la riproduzione delle basse frequenze due trasduttori da 10", ognuno dei quali è caricato da una linea di trasmissione, come richiesto dal sistema DBL; i centri di emissione dei due woofer distano circa 2 metri, lunghezza d'onda cui corrisponde una frequenza di circa 170 Hz. La radiazione del sistema pertanto si può considerare omnidirezionale solo a frequenze molto basse, mentre già a qualche centinaio di Hz l'irradiazione non è più di tipo sferico; ciò è ancora più vero considerando il fatto che ai due woofer da 10" se ne affiancano altri due da 8" che aumentano il fattore di direttività del sistema, nonché il numero dei lobi secondari. I due trasduttori da 8" distano tra loro circa 130 cm. e rappresentano il cuore del sistema; ognuno di essi è fisicamente collocato su un pannello di sostegno che ha dimensioni non molto più ampie del trasduttore stesso, in modo da non operare alcun tipo di caricamento acustico; ciò comporta che ogni trasduttore passa da un funzionamento su 4p str. ad uno su 2p str. man mano che la frequenza cresce, con aumento della direttività. Sono infine presenti 4 tweeters, fisicamente allineati lungo un piano verticale; ognuno di questi ha un' irradiazione di tipo dipolare, ottenuta tramite una particolare conformazione del polo centrale e della piastra posteriore (portaperno). Le due radiazioni non sono tuttavia energeticamente simili in quanto la radiazione posteriore viene attenuata mediante l'impiego di materiale fonoassorbente (il che ottiene anche lo scopo di linearizzare il comportamento del tweeter nei dintorni della risonanza). L'impiego di 4 tweeters da 1" consente un notevole aumento della direttività sul piano verticale, riducendo le riflessioni causate da pavimento e soffitto.

Riassumendo le caratteristiche di direttività del sistema, si può dire che alle bassissime frequenze si è sostanzialmente in presenza di un monopolo, in quanto la lunghezza d'onda è molto maggiore delle dimensioni fisiche del diffusore; a frequenze appena superiori si potrebbe parlare di "tripolo", dato che alle radiazioni anteriori dei due woofer da 10" si dovrebbe sommare anche quella proveniente dall'estremità posteriore della linea di trasmissione aperta, in ritardo rispetto alle altre due; contemporaneamente cominciano a diventare evidenti anche i contributi dei due woofer da 8", che, sommati ai precedenti, formano un 7-polo; la caduta della risposta dei due woofer da 10" fa sì che in gamma media il funzionamento sia di tipo quadripolare (doppio bipolo o 4-polo), mentre a frequenze più alte (cioè quelle di pertinenza dei tweeters) si ottiene un 8-polo (però di tipo asimmetrico in quanto la radiazione posteriore non ha la stessa ampiezza di quella anteriore).

Dalla sommaria descrizione, seppur solo qualitativa, del tipo di radiazione è facile intuire che non è assolutamente semplice far sì che il sistema abbia una risposta in frequenza lineare, dato che le sorgenti sono molte e che ognuna di esse presenta un comportamento variabile in funzione della frequenza; non volendo intervenire a livello di filtraggio elettrico, la progettazione di un sistema di questo genere diventa un notevole esercizio di sintesi, in quanto è necessario avere ben chiare fin dall'inizio le caratteristiche di ogni altoparlante pensate in funzione del risultato globale, che come si è già detto, dipende fortemente dall'interazione tra le singole sorgenti e tra queste ultime e l'ambiente. Ogni trasduttore va quindi pensato e "immaginato" non solo per le caratteristiche che deve avere nella propria gamma di funzionamento, ma anche deve essere preventivato il suo comportamento in banda di transizione (che nei sistemi multipolari è particolarmente ampia) e deve inoltre essere stabilito con una certa precisione il punto di collocazione in ambiente (sia relativamente alle pareti sia, soprattutto, rispetto alle altre sorgenti: è infatti sufficiente uno spostamento di pochi centimetri della posizione relativa di un trasduttore rispetto agli altri per fare comparire notevoli buchi nella risposta in frequenza dovuti ad interferenza distruttiva). In pratica, la progettazione di un sistema di questo tipo consiste nel realizzare un gigantesco puzzle meccanico-elettrico-acustico in cui è necessario manipolare tutti e tre gli aspetti contemporaneamente; ogni singolo trasduttore costituisce una tessera ad incastro di un mosaico in cui basta che un solo elemento non sia perfettamente integrato con gli altri per vanificare ogni sforzo. Poiché il comportamento di un trasduttore dipende, come già detto, in misura notevolissima dalla sua collocazione, dovrebbe essere chiaro che l'aspetto estetico del prodotto non è un esercizio di design, ma assume una connotazione funzionale: in altri termini, cambiando la forma, cambierebbe anche il risultato.

Per quanto riguarda il diffusore HORNBLOWER, si può notare che si tratta - sotto l'aspetto meccanico - di un sistema a tre vie, nel senso che vengono impiegati tre diversi tipi di trasduttori. Acusticamente parlando la definizione non ha significato, in quanto due altoparlanti identici, ma collocati fisicamente in posizioni diverse, ottengono risultati diversi; considerato il numero di sorgenti presenti, tra radiazioni anteriori e posteriori, un qualsiasi tentativo di classificazione da un punto di vista acustico non potrebbe che sortire un gran mal di testa. Elettricamente parlando invece il sistema è sostanzialmente monovia, dato che l’unico componente passivo presente (un condensatore in serie al gruppo di tweeters) non ha tanto funzione di filtraggio quanto piuttosto di adattamento dell’impedenza e di rifasamento elettrico ed acustico.

In pratica, per ottenere un'emissione energeticamente corretta in funzione della frequenza, nel sistema HORNBLOWER è necessario partire dal DBL: ricordando che ciò richiede la compensazione delle irregolarità di risposta di due linee di trasmissione, bisogna tener conto del fatto che la linea aperta ha un' efficienza superiore; per ottenere un buon bilanciamento è allora opportuno che il woofer caricato dalla linea chiusa venga posto il più possibile vicino al pavimento. Questo accorgimento si è rivelato alle misure in grado di risolvere molto bene il problema; ricordo che le linee di trasmissione sono completamente vuote e che, quindi, l'ampiezza dei picchi e dei buchi è notevole (figg. 2,3,4). Volendo ottenere una risposta estesa verso il basso, le due linee devono essere lunghe circa 1,5 metri; se uno dei due woofer viene posizionato a pavimento, non resta altra alternativa che sovrapporre le due linee di trasmissione. Essendo necessario mantenere un allineamento verticale di tutti i trasduttori, e dato che questi hanno una radiazione posteriore, si deve evitare di collocare le linee subito dietro i "midrange" ed i tweeter, pena l'insorgere di fastidiosissime colorazioni dovute alle riflessioni ravvicinate; quindi la colonna che racchiude entrambe le linee deve essere spostata lateralmente rispetto all'asse principale che contiene tutti i trasduttori (con ciò si può ottenere anche un parziale controllo dell'irradiazione posteriore). Il sistema DBL risulta quindi implementato in una struttura dell'altezza di circa 2,3 metri; il woofer superiore (quello caricato dalla linea aperta) viene a trovarsi a circa 70-80 cm. dal soffitto, evitando così il rinforzo dovuto all'eccessiva vicinanza della parete. A questo proposito, giova ricordare che in una linea di trasmissione aperta l'emissione della porta posteriore avviene con qualche millisecondo di ritardo rispetto all'emissione principale, per cui è importante considerare anche il comportamento nel dominio del tempo e non solo quello nel dominio della frequenza; in pratica si ha una specie di rinforzo/equalizzazione che, da un certo punto di vista, può essere considerato analogo a quello derivante dall'accostamento ad una o più pareti. Il collocamento a pavimento del driver della linea chiusa ed il contemporaneo posizionamento a circa 2 metri di altezza del driver della linea aperta realizzano una sinergia quasi ideale.

Particolarmente importante è assicurare che la transizione tra un trasduttore e l'altro avvenga cercando di mantenere il più possibile la coerenza nei parametri meccanico-acustici, soprattutto sotto il profilo dinamico del movimento: è evidente, ad esempio, che non è possibile interfacciare un woofer dotato di accelerazioni dell'ordine di 20 g/A e di equipaggi mobili con massa di alcune decine di grammi (senza contare l'effetto della cassa acustica) con un tweeter che invece presenta accelerazioni 100 volte superiori e massa mobile 200 volte inferiore (credo che tutti abbiano avuto modo di ascoltare il risultato ottenuto dai quei diffusori acustici che cercano di accoppiare un woofer elettrodinamico montato in cassa con pannelli isodinamici o elettrostatici, cioè trasduttori con parametri meccanico-acustici assolutamente diversi). A questo proposito, si può dire che l'impiego di 2 woofer da 8" riduce l'escursione necessaria a parità di pressione acustica generata (la superficie radiante è di quasi 1000 cm² contro gli 80 cm² di un comune midrange da 5") con benefici effetti sulla velocità di risposta ai transitori, sulla distorsione (alle elevate escursioni sono inevitabili le non-linearità) e sulla saturazione dell'aria. Tenuto conto sia di queste considerazioni di carattere meccanico, sia di quelle legate all'impedenza di radiazione (che varia con una certa continuità all'interno della gamma di funzionamento di uno stesso altoparlante, mentre presenta sicuramente una grossa discontinuità nel passaggio da un trasduttore ad un altro di tipo diverso) è quindi consigliabile che la transizione tra trasduttori chiamati ad operare in bande adiacenti avvenga nel modo più graduale possibile: ciò significa pendenze di attenuazione molto blande e gamme di sovrapposizione ampie.

Sistema PRAXIS

Il sistema PRAXIS invece impiega due trasduttori da 8" abbinati agli stessi tweeters del modello maggiore; l'altezza è di circa 160 cm e l'ingombro complessivo molto limitato rispetto all'altro modello. I due woofer da 8" sono collocati ad una distanza di circa 130 cm; mentre il superiore è alloggiato su un pannello del tutto analogo a quello utilizzato nel sistema HORNBLOWER, l'inferiore si trova a ridosso del pavimento ed è impiegato in configurazione reflex, in modo da ottenere una sufficiente estensione alle basse frequenze. Anche in questo caso il tipo di radiazione varia ampiamente in funzione della frequenza, con aumento della direttività all'aumentare della frequenza. Dovrebbe comunque a questo punto essere evidente che il controllo della direttività del sistema e la presenza di lobi secondari di emissione associati al lobo principale interessano il solo piano verticale e non quello orizzontale come invece avviene in tutti i diaframmi estesi (con conseguente perdita delle informazioni spaziali).

Sistema EXCALIBUR

Il modello EXCALIBUR, a differenza degli altri due, fa uso di un diagramma di radiazione asimmetrico sul piano verticale. In questo modo si è ottenuta una sostanziale invarianza della risposta per altezze comprese tra i 90 e i 180 centimetri; in pratica la risposta non varia sia che si ascolti da seduti, sia in piedi. Meccanicamente si tratta di un sistema a tre vie, con un woofer da 10" in mobile reflex, un woofer da 8" montato su pannello e 6 tweeter.

Misure in ambiente

Poiché i sistemi multipolari sono pensati per riprodurre musica in ambienti semiriverberanti, molte delle misure eseguite sui diffusori acustici convenzionali perdono completamente significato; si riportano tuttavia a titolo di esempio due risposte a terzi di ottava eseguite in un ambiente di superficie pari a 28 m²(4 X 7 m), quindi abbastanza piccola soprattutto nei confronti delle dimensioni del modello più grande. Il diagramma in fig. 5 è relativo al sistema HORNBLOWER collocato vicino alla parete laterale; nonostante la vicinanza della parete la regolarità in gamma media e alta è impressionante; è opportuno ricordare che tale risultato è stato ottenuto con l'impiego di un numero elevato di sorgenti praticamente senza filtraggio elettrico, mentre per quanto riguarda il comportamento in gamma bassa si deve notare che questa è sicuramente penalizzata dalle insufficienti dimensioni dell'ambiente (si ricorda che ad una frequenza di 20 Hz è associata una lunghezza d'onda di circa 17 metri).

Fig. 5 Risposta in ambiente del sistema HORNBLOWER

In fig. 6 è invece riportata la risposta a terzi di ottava del sistema PRAXIS collocato a 1 metro dalla parete più vicina; anche in questo caso la distribuzione energetica in funzione della frequenza è praticamente perfetta in gamma media e alta. Rispetto al modello maggiore si nota una prevedibile minore estensione della risposta verso le basse frequenze; un comportamento migliore può essere ottenuto avvicinando il diffusore alla parete laterale (collocazione che fornisce un rinforzo della gamma bassa), con l’evidente vantaggio di avere un ingombro in ambiente inferiore. La sensibilità dei sistemi varia dai 100 dB del più grande ai 95 dB per il più piccolo.

Fig. 6 Risposta in ambiente del sistema PRAXIS

Versione XL

I sistemi esistono anche in versione XL (cioè con trasduttori a linearità estesa: si veda in proposito la relativa documentazione), nel qual caso la sensibilità è circa 5 dB superiore; in questa versione sono particolarmente adatti al pilotaggio in corrente, dato che la sinergia tra le due tecnologie è praticamente perfetta (per una disamina dei vantaggi ottenibili con il pilotaggio in corrente si rimanda alla appropriata documentazione).

Collocazione in ambiente

Per quanto riguarda la collocazione ottimale in ambiente dei sistemi multipolari, si osserva che le migliori prestazioni si ottengono distanziando opportunamente i diffusori dalla parete di fondo. La spazialità della scena acustica aumenta con l'aumentare della distanza tra diffusori e parete di fondo: buoni risultati si ottengono con distanze circa pari all'altezza dei diffusori stessi, mentre è sconsigliabile scendere sotto il metro di distanza, pena una eccessiva colorazione della riproduzione. Come si evince dalle due misure in ambiente riportate, meno importante è invece la distanza dalle pareti laterali, in quanto ciò influenza solo la gamma medio-bassa, che acquista così all'ascolto una maggior rotondità. I diffusori pertanto possono anche essere accostati alle pareti laterali, soprattutto se si ha l'accortezza di orientarli verso il centro; ciò è opportuno per garantire la massima separazione tra radiazione anteriore e posteriore (ricordo che entrambe sono di tipo multipolare e quindi caratterizzate dalla presenza di lobi secondari). I risultati migliori si ottengono quando la radiazione posteriore arriva con ritardi di 15 - 20 ms rispetto a quella anteriore; ciò significa una differenza di percorsi di 5 - 6 metri tra radiazione anteriore e posteriore. In queste condizioni l'illusione di assistere all'evento sonoro è praticamente perfetta; la scena acustica è amplissima ed ogni strumento ha dimensioni credibili ed è perfettamente focalizzato. Ciò si ottiene praticamente sempre con le incisioni realizzate direttamente dal vivo, purtroppo non altrettanto facilmente con incisioni pesantemente manipolate (ogni intervento tende a modificare le relazioni di fase, con conseguenti risultati negativi all’ascolto).

La posizione che mediamente consente i migliori risultati è la seguente: diffusori più vicini alle pareti laterali che a quella di fondo (in modo che la radiazione posteriore abbia la prima riflessione sulla parete laterale), con angolazione più o meno pronunciata (a seconda delle caratteristiche del locale di ascolto) verso il centro. Anche la posizione di ascolto influisce sul risultato, in quanto la vicinanza ai diffusori porta ad una predominanza della componente diretta della radiazione, con un suono nitido e dettagliato, mentre man mano che ci si allontana diviene sempre più importante il contributo della componente riflessa, con una maggiore sensazione di ambienza, ma con minore percezione dei dettagli. In pratica, proprio la stessa cosa che avviene in una sala da concerto.

Grazie a queste caratteristiche, è possibile ad ognuno scegliere il tipo di sensazione d'ascolto che preferisce semplicemente bilanciando la distanza dei diffusori dalla parete di fondo con la distanza del punto di ascolto; per quanto riguarda quest'ultima, è opportuno che la testa dell'ascoltatore si trovi ad almeno un metro di distanza dalla parete più vicina, onde evitare le conseguenze di un filtraggio a pettine. Le innumerevoli prove effettuate hanno dimostrato che esiste una configurazione particolarmente spettacolare, ottenibile collocando i diffusori ai due vertici di un rombo, con gli altri due vertici occupati dall’ascoltatore e dalla parete di fondo: si tratta, in pratica, di raddoppiare specularmente il noto "triangolo d’ascolto" rispetto alla linea congiungente i due diffusori.

Conclusioni

Riassumendo, si può quindi consigliare l'impiego di questi sistemi in locali che abbiano una lunghezza non inferiore ai 5 metri, dato che almeno un metro deve esistere tra diffusori e parete di fondo, un ulteriore metro dovrebbe essere lasciato libero dietro la testa dell'ascoltatore, il quale a sua volta dovrebbe trovarsi a non meno di tre metri dai diffusori; se non sono soddisfatti questi requisiti minimi, non vale la pena di impiegare un sistema multipolare. Se invece si ha a disposizione un ambiente di opportune dimensioni da destinare all'ascolto di musica, per cui è possibile collocare i diffusori a 2,5 - 3 metri dalla parete di fondo (si ricordi che è in pratica possibile e spesso consigliabile accostarli alle pareti laterali) allora è possibile godere di risultati impensabili con altri sistemi (sempre che il software sia all'altezza).

Data l’efficienza e la trasparenza, notevolmente superiori al solito, tutti i componenti dell’impianto a monte devono essere all’altezza; a questi livelli qualitativi un cavo o un piedino sbagliato possono rendere il risultato inascoltabile. Un ulteriore accorgimento è quello di controllare bene la fase assoluta dell'impianto.

Infine la considerazione più importante: in genere, i risultati migliorano con l'aumentare delle dimensioni dell'ambiente d'ascolto; tuttavia, e questo è valido in ogni caso, se quest'ultimo non possiede delle caratteristiche adeguate alla riproduzione di musica, anche il migliore impianto hi-fi del mondo può ben poco. Un consiglio, quindi: se possibile, è meglio cercare di migliorare le caratteristiche acustiche dell'ambiente di ascolto; a volte (spesso) i benefici sono maggiori che non sostituendo l'intero impianto.

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	SPAZIALITÀ: la spazialità di un sistema di riproduzione è strettamente legata al tipo di radiazione impiegato nella sorgente, mentre il risultato acustico complessivo dipende ovviamente anche dalla tecnica microfonica utilizzata in fase di registrazione. La stragrande maggioranza dei diffusori adotta una radiazione di tipo monopolare (fig. 1a): questo è ciò che si ottiene, infatti, montando un altoparlante (che di per se è un dipolo, essendo costituito da una membrana vibrante le cui due superfici irradiano in opposizione di fase) in una cassa che assorba la radiazione posteriore, teoricamente cancellandola. Nel caso ideale la sola radiazione anteriore della membrana raggiungerebbe l'ascoltatore con una componente diretta ed una indiretta (data dalle riflessioni sulle pareti dell'ambiente di ascolto). Con una radiazione di questo tipo, lo sfasamento temporale tra onda diretta e onda riflessa è, in un normale ambiente domestico, molto piccolo. Essendo le informazioni relative alla spazialità e all'ambienza legate allo sfasamento esistente tra le componenti diretta e riverberata, con un diffusore che abbia una radiazione di tipo monopolare la spazialità che si riesce a percepire è limitata. Un notevole vantaggio in termini di estensione della scena acustica può invece essere conseguito mediante l'impiego di un sistema dipolare (fig. 1b), nel qual caso alla radiazione diretta si somma la componente riflessa (dovuta principalmente alla superficie posteriore della membrana vibrante, che irradia in direzione opposta e con uno sfasamento di 180°) che giunge all'ascoltatore attenuata e con notevole ritardo: una situazione abbastanza simile a quella che si verifica in un ascolto dal vivo. Un ulteriore passo avanti nella ricostruzione della scena acustica può essere fatto utilizzando un multipolo (fig. 1c) al posto di un semplice dipolo. In questo modo, infatti, è possibile esercitare un notevole controllo sul diagramma di irradiazione; in teoria, variando il numero e la posizione relativa dei trasduttori impiegati, si può realizzare qualsiasi tipo di diagrarnma. Nell'esempio riportato in figura 1c sono evidenti dei lobi principali più schiacciati rispetto ad un semplice dipolo; si nota inoltre la comparsa di lobi secondari di minore entità. Ciò che in pratica si ottiene è una più accentuata direttività della radiazione principale unitamente ad un aumentato numero di componenti secondarie indirizzate lungo direttrici opportune. Questa situazione si avvicina ancora di più a quanto avviene nelle esecuzioni dal vivo, consentendo di ottenere una elevata sensazione di verosimiglianza della scena acustica.

	TRASPARENZA: in caso di ascolto domestico è solitamente impossibile cogliere molti dei dettagli e delle sfumature che invece si percepiscono dal vivo. Ciò è dovuto al fatto che una buona parte delle informazioni contenute nell'evento originale vanno perse: una piccola parte va perduta in fase di produzione del disco, una quantità invece molto più consistente durante il processo di riproduzione. La perdita di informazioni che si verifica durante la riproduzione è da imputarsi sia alla scarsa risoluzione degli impianti, sia alle scadenti caratteristiche acustiche dei locali domestici, sia alla presenza di un elevato rumore di fondo. Quest'ultimo condiziona, ovviamente, il livello minimo udibile, dato che il nostro orecchio non può interpretare correttamente suoni il cui livello non sia sensibilmente superiore a quello del rumore di fondo. Per quanto riguarda gli impianti di riproduzione, il limite principale è rappresentato proprio dai trasduttori elettroacustici. In primo luogo, altoparlanti di bassa qualità non sono in grado di riprodurre accuratamente il segnale musicale: a causa della loro lentezza gli altoparlanti tendono piuttosto ad immagazzinare e rilasciare l'energia secondo costanti di tempo molto maggiori di quelle richieste dal segnale musicale. Ciò in pratica comporta che tutti i transitori dotati di fronte di salita sufficientemente ripido e di ampiezza non particolarmente elevata non vengono riprodotti dall’altoparlante. La situazione è in realtà ben peggiore, poichè è necessario considerare anche gli effetti introdotti della cassa acustica e dal crossover, il cui contributo al peggioramento della trasparenza è in genere notevolmente superiore a quello dell'altoparlante stesso. Tutto ciò si traduce nella perdita delle informazioni associate ai segnali di basso livello, con una sostanziale riduzione della sensazione di trasparenza. In secondo luogo, è necessario tenere conto delle non-linearità presenti nel processo di trasferimento dell'energia acustica: forse non molti sono a conoscenza del fatto che solo fino ad un certo valore di pressione - stimabile in circa 100dB - vi è proporzionalità diretta tra la velocità di vibrazione delle particelle del mezzo elastico di trasrnissione (l’aria) e l’intensità acustica (che è la pressione per unità di superficie). In termini più semplici, si può dire che l'aria, cioè il mezzo entro il quale avviene la trasmissione di energia acustica, è lineare solo per segnali di intensità limitata. Dato che la pressione è data dall’intensità per la superficie di emissione, se ne conclude che è meglio avere poca intensità e grande superficie radiante piuttosto che grande intensità con piccole superfici radianti (in quest’ultimo caso si superano i limiti di linearità dell’aria). Ora, la sostanziale differenza che si verifica da questo punto di vista tra ascolto dal vivo e ascolto di una riproduzione è che nel primo caso la densità di energia acustica è, a parità di potenza sonora irradiata, molto più bassa rispetto all’ascolto domestico, poichè la superficie emissiva è molto più estesa. Ad esempio, se si considera un'orchestra che irradia una potenza sonora di 10 W (acustici, corrispondenti a circa 120 dB), si avrà una intensità nei pressi della sorgente dell'ordine di qualche centesimo di watt per metro quadrato; se la stessa potenza sonora venisse erogata da un altoparlante con superficie emissiva pari a 0.013 m² (un mid-woofer da 6", cioè 16 cm.) l'intensità acustica sarebbe invece di circa 750 W/m², cioè circa 10000 (!) volte superiore, con conseguente non-linearità dovuta al superamento dei valori massimi consentiti. Per evitare ciò è opportuno cercare di avere la superficie radiante più ampia possibile in modo da minimizzare l'intensità acustica a parità di pressione generata. D'altra parte, un'ampia superficie emissiva favorisce anche l'ottenimento di un elevato rendimento di trasduzione e di una buona impedenza acustica; ciò si traduce in un buon interfacciamento sia con l'amplificatore sia con l’ambiente. Quando ciò non accade, buona parte dell'energia inviata dall'amplificatore ai trasduttori viene riflessa verso l'amplificatore stesso e non convertita in onde di pressione, con conseguente perdita di trasparenza dovuta alle riflessioni presenti sulla linea di collegamento. Si considerino, a titolo di esempio, le caratteristiche comuni a tutti i sistemi planari, noti per la loro spazialità e trasparenza: le membrane vibranti sono molto estese, consentendo una bassa densità di energia a parità di pressione ed un'ottima impedenza acustica; sono inoltre leggere e, di norma, non prevedono casse acustiche e crossover. Questo consente di ottenere una notevolissima trasparenza, nonostante il rendimento di questi sistemi sia sempre molto basso; la spazialità è chiaramente dovuta al tipo di emissione, che prevede anche una radiazione posteriore.

	Riassumendo, si può quindi consigliare l'impiego di questi sistemi in locali che abbiano una lunghezza non inferiore ai 5 metri, dato che almeno un metro deve esistere tra diffusori e parete di fondo, un ulteriore metro dovrebbe essere lasciato libero dietro la testa dell'ascoltatore, il quale a sua volta dovrebbe trovarsi a non meno di tre metri dai diffusori; se non sono soddisfatti questi requisiti minimi, non vale la pena di impiegare un sistema multipolare. Se invece si ha a disposizione un ambiente di opportune dimensioni da destinare all'ascolto di musica, per cui è possibile collocare i diffusori a 2,5 - 3 metri dalla parete di fondo (si ricordi che è in pratica possibile e spesso consigliabile accostarli alle pareti laterali) allora è possibile godere di risultati impensabili con altri sistemi (sempre che il software sia all'altezza).

	Data l’efficienza e la trasparenza, notevolmente superiori al solito, tutti i componenti dell’impianto a monte devono essere all’altezza; a questi livelli qualitativi un cavo o un piedino sbagliato possono rendere il risultato inascoltabile. Un ulteriore accorgimento è quello di controllare bene la fase assoluta dell'impianto.

	Infine la considerazione più importante: in genere, i risultati migliorano con l'aumentare delle dimensioni dell'ambiente d'ascolto; tuttavia, e questo è valido in ogni caso, se quest'ultimo non possiede delle caratteristiche adeguate alla riproduzione di musica, anche il migliore impianto hi-fi del mondo può ben poco. Un consiglio, quindi: se possibile, è meglio cercare di migliorare le caratteristiche acustiche dell'ambiente di ascolto; a volte (spesso) i benefici sono maggiori che non sostituendo l'intero impianto.