.

      Ultrasound      

 

Full- range Ultrasound

 

 

Sommario

 

.

Premessa

L’evolversi della qualità musicale nella riproduzione domestica ha portato negli ultimi anni all’impiego di amplificatori con circuitazioni semplici e senza reazione negativa, in modo da ottenere migliori risultati nella gestione dei segnali transitori; la grande maggioranza di questi amplificatori sono caratterizzati da una bassa potenza. L’insieme di queste due caratteristiche non consente di impiegare un diffusore qualsiasi, per non vanificare i risultati offerti dall’amplificazione: l’ideale sarebbe un sistema ad alta sensibilità ed in grado di trattare adeguatamente segnali rapidamente variabili.

Poichè i sistemi a alta sensibilità sono pochi e con caratteristiche progettuali - costruttive che impongono un tributo pesante sotto il profilo della qualità "audiophile" e dato che invece è oggi possibile affrontare il problema con un approccio diverso e più moderno, da più parti sono giunte richieste di progettare qualcosa di realmente innovativo, in grado di rendere finalmente giustizia alle amplificazioni di cui sopra. Tenuto conto dell’interesse dimostrato dalle centinaia di telefonate giunte per il KIT 1, ecco dei nuovi altoparlanti che dovrebbero rispondere ancora meglio alle aspettative degli appassionati.

 

.

Obbiettivi di progetto

I sistemi ad alta efficienza attualmente sul mercato si ricollegano sostanzialmente a due filosofie:

I primi impiegano trasduttori con equipaggi mobili decisamente pesanti (tipico l’impiego di woofer da 15") e molto robusti, dato che sono stati sviluppati per sopportare gli strapazzi dell’impiego professionale; per lo stesso motivo il filtraggio tra le vie è altrettanto "robusto".

I secondi si basano invece su equipaggi mobili molto leggeri e sull’assenza di filtraggio; difettano peraltro di estensione e robustezza.

Entrambi presentano colorazioni che li rendono invisi agli audiofili.

Quello che tutti vorrebbero è dunque un sistema che conservi i benefici dell’alta efficienza che però sia "audiophile". E’ possibile realizzare qualcosa di simile? In realtà è già stato fatto: i diffusori acustici ULTRASOUND sono proprio la risposta a questo quesito. Tuttavia, l’autocostruttore che si rispetti non vuole un prodotto finito, ma vuole costruirselo da sè, ad un costo ragionevole; è questo ugualmente possibile? Anche in questo caso la risposta può essere affermativa. Tenuto conto allora dei requisiti richiesti per un kit ad alta efficienza "audiophile", ci poniamo i seguenti obiettivi:

Questi contrastanti obiettivi possono essere raggiunti solo con la realizzazione di particolari trasduttori full range, sviluppati con le tecniche più moderne e fisicamente costituiti da un woofer a cono ed un tweeter a cupola montati in un unico altoparlante coassiale. Per la libidine degli autocostruttori, di full range ne sono sati sviluppati ben quattro: si tratta di un 8" (200 mm.) e di un 10" (250 mm.), entrambi disponibili in due versioni (Silver e Gold). Inoltre, per gli sperimentatori irriducibili, i woofer vengono resi disponibili anche separatamente.

 

.

Perchè full-range coassiale?

Si è detto che gli altoparlanti ad alta efficienza disponibili seguono fondamentalmente due filosofie, ognuna con gravi limitazioni dal punto di vista audiofilo. La soluzione ovvia per migliorare le cose è chiaramente prendere da ognuna quello che può offrire di positivo, evitando i difetti. Dal sistema multivia si può allora derivare la completezza della risposta, ottenibile solo con più di un driver; dal larga banda si può trarre la mancanza di crossover. Per il resto, si può operare con scelte intermedie: questo vale per le masse, le cedevolezze, i materiali impiegati, ecc. Da ciò deriva la scelta ponderata di realizzare un sistema composto da due driver diversi, ma senza crossover; la realizzazione coassiale soddisfa l’esigenza di semplicità ed è garanzia del risultato (ad onta di un costo di produzione maggiore).

 

.

Criteri di progetto

Vediamo ora in dettaglio le caratteristiche di questi trasduttori, esaminando le scelte che di volta in volta consentono di tradurre in pratica gli obiettivi di progetto: essendo chiaro che l’assoluto non esiste, e che ogni medaglia ha il suo rovescio, ogni progetto consiste sostanzialmente nello stabilire delle priorità tra aspetti più e meno importanti al fine di ottenere un determinato risultato (cioè un tipo di sonorità).

Come riferimento e confronto, si riportano i parametri di Small di due tipici sistemi ad alta efficienza: si tratta di un woofer da 15" e di un larga banda.

 

Parametri di Small JBL 15" Lowther
FS 48.5 50
QTS 0.32 0.30
MS 90 7.9
CMS 0.12 1.3
SPL 97.3 97.4
XMAX 2.5 -

 

Come si vede, in entrambi i casi la frequenza di risonanza è attorno a 50 Hz, il fattore di merito di circa 0.3, per un livello di 97 dB; risultati ottenuti però in modi completamente diversi: nel primo caso con massa elevata e bassa cedevolezza, nel secondo con massa ridotta ed elevata cedevolezza.

Sulla base di questi riferimenti, esaminiamo ora in dettaglio le specifiche di progetto dei full range ULTRASOUND.

 

1. - alta sensibilità

Si noterà che stiamo parlando di alta sensibilità e non di alta efficienza: i due concetti sono simili ma non equivalenti, anche se spesso vengono confusi. Per efficienza si intende il rapporto tra potenza (acustica) in uscita e potenza (elettrica) in ingresso al trasduttore; per sensibilità si indica invece comunemente il livello sonoro (SPL) ottenibile con 2.8 V in ingresso (corrispondenti ad 1 watt su 8 ohm). E’ chiaro che le due cose sono collegate; entrambi i valori danno delle indicazioni su "quanto forte" suona un altoparlante, tuttavia nessuno dei due può essere esaustivo. Perchè allora parlare di sensibilità? Perchè è un dato più immediato, più comprensibile per la maggior parte della gente; ha una buona corrispondenza con l’impressione soggettiva di ascolto (a sensibilità maggiore corrisponde effetivamente la sensazione di suonare più forte). Resta il problema di come misurare la sensibilità di un altoparlante; l’unico metodo sensato sarebbe mettersi in camera anecoica e misurare il livello prodotto con un fonometro di precisione. Tuttavia, poichè l’altoparlante da solo (cioè non inserito in un mobile) riproduce pochissimo la gamma medio-bassa e bassa, tale valore non avrebbe alcuna correlazione con la sensazione d’ascolto. D’altra parte, essendo in uso fornire i parametri di Small dell’altoparlante, si può impiegare il valore di SPL derivante da tale modello (peraltro relativo a un semispazio e valido solo a bassa frequenza). E’ chiaro che anche questo valore può non corrispondere alla sensazione d’ascolto: un altoparlante può ad esempio avere un’esaltazione della gamma media (zona a massima sensibilità dell’orecchio) e suonare pertanto apparentemente più forte di un altro più lineare che presenta - sulla carta - un valore SPL superiore. Parlare di sensibilità non ha quindi molto significato in assoluto; tuttavia un riferimento bisogna pur darlo.

Nel caso in esame ci si propone allora di sviluppare trasduttori con valori di SPL di 95 - 100 dB, in modo da assicurare il necessario impatto e contrasto dinamico agli amplificatori di bassa potenza. Contemporaneamente, si vogliono realizzare oggetti robusti, affidabili e meccanicamente stabili, in grado di reggere una buona potenza.

SPL elevati si possono ottenere con circuiti magnetici potenti ed equipaggi mobili leggeri. Altoparlanti robusti termicamente non possono prescindere da una bobina mobile ben dimensionata. Trasduttori affidabili e meccanicamente stabili derivano dall’impiego di sospensioni adeguate.

In base a ciò, (in seguito ad una serie di considerazioni, calcoli e simulazioni che rapppresentano il vero cuore di un progetto) i nostri trasduttori saranno centrati sui seguenti elementi chiave per quanto riguarda il woofer :

Queste impostazioni permettono di realizzare altoparlanti con caratteristiche intermedie tra i professionali ed i larga banda, prendendo il buono che c’è in ognuna delle categorie e minimizzando i difetti. Essendo il peso dell’equipaggio mobile composto da bobina, membrana e sospensione, la soluzione di concentrare il peso nella bobina consente di utilizzarne una a corsa lunga e con dimensionamento esuberante dal punto di vista termico, realizzando un altoparlante molto più robusto di un larga banda e in grado di scendere molto più in basso. Ad una bobina mobile ben dimensionata cerchiamo poi di accoppiare una membrana il più leggera possibile per ottenere una risposta estesa verso le medie frequenze.

Per assicurare il massimo trasferimento di potenza, si sceglie una impedenza nominale di 5 ohm; tale valore può sembrare strano, ma deriva dall’osservazione degli amplificatori presenti sul mercato: quelli a stato solido erogano su questa impedenza una potenza maggiore che non su 8 ohm, con evidenti vantaggi, mentre l’impedenza di uscita di quelli a valvole dipende dal numero di secondari dei trasformatori d’uscita. Nel caso siano presenti le canoniche uscite 4 - 8 ohm, si può sfruttare quella ad impedenza più bassa; se invece l’uscita è unica, in genere presenta proprio un valore attorno a 5 ohm: da qui il motivo della scelta operata.

Per quanto riguarda il tweeter, poichè questo deve lavorare senza crossover e deve quindi reggere una potenza notevole, sono richieste alla bobina caratteristiche analoghe; tuttavia non si possono superare determinati limiti, dato che la sensibilità è direttamente correlata con il peso dell’equipaggio mobile. I punti chiave risultano i seguenti:

 

2. - estensione della risposta

Poichè stiamo parlando di altoparlanti destinati alla riproduzione di musica, non è sufficiente considerare il solo comportamento nel dominio della frequenza, ma si deve tener conto anche e soprattutto di quello nel dominio del tempo. Con ciò si vuole intendere che la completezza della risposta, per quanto riguarda la sensazione d’ascolto, non è legata solamente all’estensione in frequenza, ma anche alle modalità di emissione dell’energia, in particolare per quanto riguarda le basse frequenze. Infatti, se un segnale transitorio è riprodotto dal sistema con una certa "lentezza" si ha una sensazione di maggior corpo del suono rispetto ad una restituzione più "veloce"; in altre parole, un sistema lento e pesante sembra avere "più bassi" rispetto ad uno con minore massa in movimento. Alle basse frequenze si deve considerare il sistema altoparlante + cassa, con le relative masse e rigidezze. Con riguardo ai riferimenti citati, il woofer da 15" potrebbe essere impiegato in un volume di 50 litri con F3 di circa 80 Hz, quindi abbastanza alta per i canoni HIFI; nonostante ciò, data la sua elevata inerzia, questo sarà sempre un basso "importante" e non veloce ed articolato come piace agli audiofili. Il larga banda, al contrario, con 8 soli grammi di massa mobile, semplicemente non ha abbastanza inerzia per funzionare bene alle basse frequenze; per questo (e per il fatto che la cedevolezza molto alta richiede volumi di carico enormi) viene normalmente impiegato con sistemi a condotto molto lunghi, in modo da caricare sostanziose colonne d’aria, ottenendo il duplice effetto di aumentare la massa apparente (e quindi l’inerzia) e avere una emissione in ritardo all’uscita del condotto (per cui il basso "dura" un po' di più). Anche così, l’energia emessa alle basse frequenze resta poca: la bobina corta infatti non è in grado di produrre le escursioni indispensabili per ottenere sufficiente pressione alle basse frequenze.

Per evitare ciò, i nostri altoparlanti impiegano una bobina a corsa lunga (+/- 6 mm. di corsa lineare, corrispondenti a +/- 9 mm. prima di uscire dal traferro) in grado di gestire gli elevati spostamenti corrispondenti alle frequenze più profonde e di fornire la dovuta energia con le giuste costanti di tempo. La bobina impiega un avvolgimento particolare che ne aumenta sostanzialmente la rigidezza meccanica; ciò è molto importante per garantire il trasferimento di energia alla membrana alle frequenze medie e per ottenere la funzione di trasferimento desiderata (che deve essere complementare a quella del tweeter). L’impiego di membrane e sospensioni leggere mantiene basso il peso degli equipaggi mobili, in modo da ottenere sia una corretta gestione dei transitori sia l’alta efficienza richiesta: la membrana del 200 pesa 4 grammi scarsi e quella del 250 meno del doppio (valori molto più bassi rispetto alle plastiche in voga nell’HIFI).

L’estensione della risposta verso l’alto è garantita dall’impiego di un tweeter a cupola morbida da 1".

 

3. - coerenza

La coerenza viene raggiunta principalmente tramite l’assenza del crossover. Ciò comporta che le funzioni di trasferimento dei due altoparlanti che costituiscono il full range devono essere complementari. Poichè la risposta di ogni singolo driver dipende dalle sue caratteristiche meccaniche ed acustiche, si capisce che non è per nulla semplice percorrere questa strada; sono necessari non solo tempo e denaro, ma anche una competenza e una tecnologia che pochi possiedono.

Il sistema è costituito da due driver con risposte complementari, montati coassialmente, ma con le bobine giacenti su piani diversi. Ciò comporta che esiste uno sfasamento temporale tra l’emissione del woofer e quella del tweeter; sfasamento che deve essere recuperato, pena la perdita della coerenza che è invece obiettivo primario del progetto. Ciò si realizza con l’inserimento in serie al tweeter di una opportuna capacità, che realizza i seguenti scopi:

Di conseguenza, il condensatore serve a far suonare meglio il sistema; senza quel condensatore, il full range potrebbe funzionare comunque, ma suonerebbe decisamente peggio, se non altro perchè rappresenterebbe un carico difficilissimo per la tipologia di amplificatore presumibilmente impiegato. A chi fosse convinto che i condensatori sono peggio della peste bubbonica, si segnala che il tweeter ha una frequenza limite inferiore abbastanza alta e che pertanto al tweeter è in realtà associata pochissima energia: con la normale distribuzione dell’energia del segnale musicale, oltre il 95 % arriva infatti al woofer, per cui il discorso diviene di lana caprina. In compenso il condensatore è in grado di salvare il tweeter in caso di errate manovre, cortocircuiti, ecc. Chi non fosse convinto della validità della scelta adottata è invitato ad una prova comparativa con un monovia di sua scelta, (pannelli elettrostatici compresi).

Una possibile alternativa sarebbe quella di sistemare il tweeter all’interno del nucleo del woofer (soluzione Tannoy, Kef). In questo modo però, oltre a problemi con i circuiti magnetici che limiterebbero fortemente la qualità del woofer, la radiazione del tweeter si troverebbe caricata dalla membrana del woofer, che verrebbe a realizzare una specie di tromba, con le note conseguenze.

La vera soluzione sarebbe disporre di due altoparlanti separati, progettati tenendo conto della loro posizione reciproca di funzionamento, con non solo funzioni di trasferimento complementari (per ottenere la linearità nel dominio della frequenza), ma anche masse, cedevolezze, accelerazioni ottimizzate nei due driver in modo da ottenere un comportamento nel tempo senza soluzione di continuità: questa è esattamente la soluzione impiegata nei nostri prodotti finiti, che per motivi abbastanza ovvi non può essere resa disponibile agli autocostruttori.

 

4. - equilibrio timbrico

Se si va ad esaminare la risposta in frequenza sia dei componenti professionali, sia dei larga banda, ci si rende conto che gli estremi della banda audio sono in genere limitati e che irregolarità di anche 10 dB sono abbastanza normali (si faccia caso al fatto che le relative curve di risposta non sono mai pubblicate); questo è evidentemente inaccettabile in un sistema HIFI.

Nel nostro caso la linearità di risposta è dovuta all’attento studio dei materiali ed al grande lavoro di sviluppo svolto tenendo ben presente la destinazione d’uso dei componenti: l’HIFI, non il mercato professionale (dove la fedeltà timbrica è un’optional, dato che i parametri importanti sono ben altri). Non vogliamo annoiare nessuno descrivendo l’effetto del trattamento X sul tessuto Y o parlandovi dei mesi di prove necessari per stabilire il titolo della miscela di un impregnante bicomponente (a variazioni di pochi percento possono corrispondere alterazioni nella risposta di 5-6 dB); nè vi vogliamo fare addormentare descrivendo le caratteristiche della carta kraft, o indicando i casi in cui un impasto con prevalenza di fibra lunga può essere preferibile a uno a fibra corta (parliamo di cellulosa, of course); diciamo semplicemente che a certi risultati non ci si arriva per caso, ma con un duro e lungo lavoro di progettazione, di sviluppo e di ingegnerizzazione.

 

5. - ingombro

Il larga banda ha bisogno di grandi volumi a causa sia della sua grande cedevolezza, sia per cercare di estendere la risposta alle basse frequenze; il componente professionale, se non altro per le sue dimensioni, ha bisogno di un mobile largo più di 40 cm, con le altre dimensioni in proporzione. In entrambi i casi si tratta di ingombri poco compatibili con gli spazi domestici e difficilmente accettabili dalle consorti.

I nostri trasduttori, grazie alla scelta delle masse e delle cedevolezze, si prestano ad essere impiegati in volumi contenuti: si possono realizzare bookshelf di piccolo litraggio (come il KIT 1), oppure si può orientarsi verso soluzioni di tipo tower, che mantengono un ingombro in pianta limitato e risultano esteticamente gradevoli.

 

6. - semplicità realizzativa

Di trasduttori ne sono stati sviluppati 4 proprio per permettere soluzioni d’impiego diverse; nei casi più semplici la facilità di realizzazione è estrema, mentre per ottenere le massime prestazioni si deve pagare il prezzo di una complessità maggiore nella realizzazione dei mobili. In ogni caso, la mancanza di assorbenti acustici, l’assenza di tubi od affini e la mancanza del crossover riconducono le difficoltà costruttive all’assemblaggio di pannelli di legno.

 

7. - costo

Il costo di sviluppo degli altoparlanti in questione non può essere quantificato esattamente; solo a tener conto del tempo impiegato si arriva a qualche decina di milioni, senza contare i materiali e le altre spese. Tuttavia, sui costi di sviluppo non si può risparmiare, altrimenti non si arriva agli obiettivi prefissati. Purtroppo, in un sistema ad alta efficienza complesso come questo anche il costo di produzione è alto: sia per il valore dei materiali impiegati, sia per la cura artigianale posta in ogni pezzo. Per contenere al massimo i costi, la distribuzione deve essere allora curata direttamente, onde evitare costi aggiuntivi; d’altra parte, un prodotto destinato all’autocostruzione deve essere supportato a livello tecnico (devono cioè essere disponibili tutte le informazioni necessarie al corretto impiego del componente in questione), non commerciale (altrimenti sarebbe un prodotto finito).

Conclusa l’analisi degli obiettivi di progetto, esaminiamo le caratteristiche dei full-range.

I trasduttori sono identificati dalle seguenti sigle:

La versione Gold dispone di un circuito magnetico potenziato, di lavorazioni diverse dei traferri, di un differente trattamento della membrana, di un diverso tweeter.

 

Parametro FR 20 S FR 20 G FR 25 S FR 25 G
FS 42 45 43 44
QTS 0.34 0.26 0.38 0.29
MS 16 17 26 27
CMS 0.9 0.7 0.5 0.5
SPL 96.5 98 97.5 99
XMAX 6 6 6 6

 

.

Modalità d'impiego

Dall’esame dei fattori di merito e delle cedevolezze, si vede che si tratta di altoparlanti con cui è possibile realizzare diffusori compatti. Fermo restando che non ha senso impiegarli in cassa chiusa, la scelta più semplice è quella di orientarsi verso una soluzione di tipo accordato (bass reflex): le versioni Silver sono fatte per allineamenti di tipo B4. Il 20 Silver può essere sostituito al trasduttore impiegato nel KIT 1: la Fig. 1 riporta la curva simulata della risposta in basso in questa condizione. Attenzione: il software impiegato (SOLID: Speakers Optimum Loading & Interface Design) propone due curve, quella relativa al campo libero (serve come riferimento) e quella ottenuta considerando il contributo delle 3 pareti più vicine (per una valutazione di massima del reale comportamento in ambiente). E’ buffo notare che, a 20 anni dalla storica trattazione di Roy Allison, ancora non si tiene conto del posizionamento in ambiente; si continuano ad usare programmi di simulazione che spaccano il centesimo di dB, senza pensare che uno spostamento in ambiente di 1 metro può causare alterazioni nella risposta di 10 (dieci) dB. (SOLID è in grado di fornire, data la posizione in ambiente e l’estensione in basso richiesta, direttamente i parametri di Small del trasduttore richiesto: può cioè sintetizzare un trasduttore sulla base delle sue effettive prestazioni in ambiente).

La Fig. 1 è relativa all’impiego del 20 Silver in un volume di 30 litri, accordato a 50 Hz (KIT 1, CHF n° 28). La posizione in ambiente riportata (e valida anche in tutte le simulazioni successive) è relativa ad una distanza di 1,2 metri dalla parete laterale e di 0,8 metri da quella di fondo, mentre l’altezza è di 1 metro.

L’estensione della risposta è ampiamente sufficiente in tutti i casi pratici: si deve infatti considerare che la frequenza a - 3 dB in ambiente è 43 Hz, cui corrisponde una lunghezza d’onda di oltre 8 metri; con dimensioni inferiori il limite è dato dall’ambiente, non dal diffusore.

Ad ogni modo, una superiore estensione in basso si può ottenere con l’impiego di un mobile da pavimento, dell’altezza di circa un metro e larghezza circa pari a quella dell’altoparlante. Il volume di carico così ottenuto è di circa 40 litri che, con accordo a 35 Hz, danno l’estensione teorica riportata in Fig. 2.

L’ impedenza - misurata nel mobile da 30 litri (KIT 1) - ha un minimo di 4 ohm ed un massimo di 8 ohm; risultato ottenuto senza alcuna equalizzazione e senza alcun filtraggio.

 

La risposta in frequenza del 200 Silver montato nel mobile da 30 litri è riportata nella figura seguente.

 

La figura successiva illustra l’andamento della risposta del 25 Silver impiegato in 57 litri con accordo a 40 Hz, con lo stesso posizionamento in ambiente.

 

Il volume di 57 litri è relativo ad un mobile delle seguenti dimensioni: 110 cm di altezza, 26 cm. di larghezza, 20 cm. di profondità (dimensioni interne). L’altezza serve a portare il centro di emissione ad altezza dell’orecchio, la larghezza è quella minima per ospitare il trasduttore; la profondità di 20 cm è la minima per garantire un po' di stabilità al sistema. Portando la profondità a 30 cm. si ottiene un volume di carico pari a 86 litri; in questo caso si può optare per un’accordo a 30 Hz; la Fig. 4 riporta le relative curve simulate.

 

 

.

Conclusioni

L’alta efficienza costa. L’assenza di crossover costa di più. Sviluppare un altoparlante per venderne pochi pezzi è economicamente una follia; senza contare che gli altoparlanti sono due (woofer + tweeter) e non uno. Tuttavia, dato il grande interesse che sembra caratterizzare i sistemi ad alta efficienza e la scarsità di prodotti validi sul mercato, abbiamo voluto rendere concretamente disponibili alcuni dei risultati raggiunti recentemente dal nostro staff. A ciò si aggiunga la disponibilità ad assistere l’autocostruttore nello sviluppo del sistema di carico più adatto alle sue esigenze, tenendo conto dell’inserimento in ambiente, a titolo assolutamente gratuito (entro i limiti della decenza, oltre i quali lo studio sarà oltremodo lieto di fatturare la consulenza relativa alle tariffe in vigore).

Si è già detto che il costo di sviluppo ammonta a qualche decina di milioni, con la prospettiva di vendere pochi pezzi. Ne risulta che il solo costo di sviluppo può comportare un onere dell'ordine di un milione a altoparlante, prima ancora di avere iniziato la produzione; questo è opportuno dirlo per evitare false illusioni (ricordo che stiamo parlando di un full-range ad alta efficienza e senza crossover - cioè di un trasduttore con caratteristiche uniche).

I prodotti non sono disponibili a magazzino; vengono costruiti su richiesta. Il prezzo dipende ovviamente dalle quantità richieste.

 

 

 

Ultrasound
Vicolo T. Aspetti, 18
35100 Padova (ITALY)
Tel./Fax: +39 049 8644085

Showroom
Via Bachelet, 20
Busa di Vigonza (PD)
Tel.: 049 8935095

© Copyright - Ultrasound - Tutti i diritti riservati - 1999-2000