CP500

Un diffusore PA (Public Address: una volta si diceva “impianto voci” o qualche cosa del genere) non è un diffusore hi fi, ma un diffusore che deve sonorizzare ambienti di grandi dimensioni con qualità accettabile ed assoluta affidabilità, nella maggior parte dei casi in installazioni volanti.

Date queste premesse, il diffusore PA deve avere sensibilità elevata, robustezza da trattore, impedenza tale da non mettere in crisi nessun amplificatore, mentre non si richiede né una risposta in frequenza estesa agli ultrasuoni né particolari caratteristiche di ricostruzione dell'ambiente, profondità della scena, ampiezza del fronte sonoro, ecc.

Sensibilità elevata: per quanto oggi amplificatori in Classe D capaci di erogare migliaia di Watt siano di uso comune, poi quei Watt finiscono tutti sulla bobina mobile dell'altoparlante deputato a riprodurre la parte più significativa dello spettro, cioè il povero woofer, che nella maggior parte dei casi sta in un due vie tagliato attorno ai 2000 Hz.

Se analizziamo le curve di distribuzione della potenza in funzione della frequenza in un normale segnale musicale (Norma IEC) vediamo che entro i 2 kHz sta l'84% della potenza totale.

Ciò significa che di un segnale musicale standard di 1000 W senza clipping circa 840 W vanno al woofer.

Ora tutta la potenza elettrica che non viene trasformata in potenza acustica viene necessariamente trasformata in calore, che deve essere dissipato dalla bobina mobile: quasi un tostapane domestico, la cui resistenza diventa bella rossa.

L'efficienza di un altoparlante è molto bassa, variabile fra circa il 5% dei grandi altoparlanti professionali (per fare un esempio il Ciare PW455, un woofer professionale da 18” - 45 cm – ha una efficienza del 5,22%) e lo 0,5 % degli altoparlanti HiFi (il Ciare HW250, woofer HiFi da 10” - 25 cm - ha una efficienza del 0,55%): un fattore 10 fra il professionale e l'HiFi, che non è poco.

Non è che cambiando marca le cose cambino: è una questione di leggi fisiche: l'efficienza dipende dalla superficie radiante e dalla frequenza di risonanza; il PW455, con i suoi 38,4 cm di diametro effettivo ha una frequenza di risonanza di 36 Hz, mentre il HW250 con i suoi 20,8  cm di diametro effettivo ha una frequenza di risonanza di 23 Hz.
Le leggi fisiche sono quelle che sono e si deve scegliere fra estensione della risposta ed efficienza: è chiaro che in due ambiti dalle esigenze così diverse le priorità sono diverse e le scelte quasi obbligate.

Con queste percentuali di efficienza in un woofer professionale, degli 840 W di cui sopra fra 20 e 40 vengono trasformati in potenza acustica, il resto – almeno 800 - scalda la bobina.

La potenza degli amplificatori, che oggi apparentemente non è più un problema, di fatto lo è ancora, perché sarebbe ben diverso dover avere 10.000 W al posto di 1000 W per avere lo stesso livello acustico.
Si deve anche tener presente che oggi, con altoparlanti professionali con efficienza adeguata e sensibilità dell'ordine dei 98 – 100 dB ciascuno (le normali unità dei Line Array) e subwoofers dello stesso livello, è normale avere fra i 20 ed i 50 kW di potenza (di uscita degli amplificatori) per sonorizzare una piazza durante un qualsiasi concerto.

È chiaro che aver bisogno di 80 kW di potenza elettrica è un fatto, aver bisogno di 800 kW non sarebbe proponibile.

La soluzione è quindi l'utilizzo di altoparlanti ad alta sensibilità (almeno 97 dB) ed il frazionamento della gamma acustica fra enormi sub alimentati adeguatamente e diffusori a gamma estesa, che sono limitati in basso a frequenze sicuramente superiori a 60 Hz.
La cassa che propongo rientra in questa filosofia: potenza elevata, sensibilità elevata, risposta inferiore a partire da circa 60 Hz, componenti professionali dalle caratteristiche ineccepibili.
Necessariamente 2 vie, per poter avere dimensioni ragionevoli trattandosi di un oggetto destinato a muoversi, cioè ad installazioni volanti.

Quali altoparlanti

Non ostante vi siano molti diffusori PA costituiti da un woofer 15” ed un driver con tromba, a mio parere è praticamente impossibile far scendere bene un driver qualsiasi con membrana da 1” sotto i 2 kHz, e non esiste alcun woofer da 15” che risponda in modo accettabile sopra i 2 kH; d'altra parte un driver con membrana da 2” soffre oltre i 10 kHz e costringerebbe a tornare alla soluzione a tre vie.

Per riuscire ad ottenere un incrocio ottimale fra woofer e tromba le gamme riproducibili dai due componenti debbono sovrapporsi in certa misura, in modo che la dispersione non venga troppo penalizzata all'incrocio e non si creino problemi di tenuta in potenza del driver della tromba.

Pertanto la mia scelta è stata con queste premesse quasi obbligata.

Un  Woofer da 12”, impedenza nominale 4 ohm, potenza nominale 500 W (deve sopportare sollecitazioni non indifferenti quindi la sua potenza non deve essere risicata), escursione elevata in quanto comunque buona parte delle percussioni rientrano nella sua gamma e comunque deve essere utilizzabile anche senza sub in eventi di ridotte dimensioni.

Un Driver di potenza adeguata con una tromba ad alta dispersione che non sacrifichi la sensibilità del Driver, quindi di dimensioni non irrilevanti; è importante non sacrificare la sensibilità del driver in quanto un Driver con membrana da 1” ha comunque una tenuta in potenza limitata, quindi tutta la sensibilità che si guadagna con la tromba adeguata può essere sfruttata per attenuare il segnale che gli viene inviato.

Il Woofer è il CW328, un woofer che nel catalogo Ciare sta nella serie Car, credo esclusivamente perché nel catalogo Ciare la discriminante fra Car da una parte e Home e Professionale dall'altra sembra stare solo nell'impedenza: 4 ohm per il Car  e 8 ohm per il Professionale.

Come si vede dalle curve la risposta arriva agevomente a 3000 Hz, quindi un taglio a 2 kHz è perfettamente applicabile.

In realtà il CW328 è un altoparlante impressionante, costruito magistralmente, con un solidissimo cestello in pressofusione e bobina mobile da 100 mm, del modico peso di 11 Kg, efficienza del 3,27% e sensibilità 98 dB.

Il driver è il PU380T, con membrana in titanio da 1”, che con la tromba PR312, ha una sensibilità media di 109 dB ed una dispersione orizzontale di 100°.

L'impedenza del driver è 8 ohm, che aiuta a ridurre la potenza effettiva che gli viene inviata.


La cassa

Ovviamente reflex, non ho comunque rinunciato ad un accordo QB3n4, per due considerazioni: anche se il B4 è generalmente la scelta normale, a mio parere l'estensione del QB3 è comunque più che sufficiente e la risposta è decisamente migliore; è quasi priva di quel rimbombo che io continuo a sentire nei B4 e che trovo sgradevole, ed inoltre un roll-off morbido aiuta l'accoppiamento con un eventuale sub.

Risulta un volume di 33 litri accordato a 63 Hz (tenendo conto della resistenza dell'induttore del filtro crossover), quindi una cassa di dimensioni più che accettabili.

In realtà la cassa deve alloggiare anche la tromba, che con la sua bocca di 32x20 cm si adatta perfettamente alle dimensioni del woofer e fa solo crescere l'altezza della cassa.

Ho scelto multistrato di pioppo da 15 mm, in quanto è leggero; i pannelli risultano di dimensioni ridotte e quindi non ci dovrebbe essere un grosso problema di vibrazioni.

D'altra parte il peso del tutto è già notevole, ed in fin dei conti questa non è una cassa HiFi.

Il condotto di accordo occupa tutta l'ampiezza del pannello anteriore, che per altro è giusto sufficiente ad alloggiare il woofer, è alto 3 cm e profondo 10 (il calcolo dava 12 cm, ma essendo addossato ad una parete deve essere più corto).

Come sempre abbondante colla vinilica e robusti sergenti, assemblaggio in tre tempi con essicazione di 24 ore per assicurare la tenuta della colla.

Come sempre bussole filettate di ottone per fissare gli altoparlanti, sia il woofer che la tromba.

La parte superiore della cassa è senza parete posteriore, la tromba occupa tutto il pannello anteriore ed il foro posteriore viene chiuso con un semplice pannello che allogia il connettore Speak-on.

A fianco la cassa finita (ma non rifinita).

Il vano della tromba deve alloggiare il crossover ed il connettore, necessariamente Speak-on Neutrik, eventualmente potrebbe ospitare anche un amplificatore in Classe D con alimentatore switching, volendo farne un diffusore attivo.

Il Crossover

La messa a punto del crossover è stata la parte più impegnativa del progetto.

Scelta di base: 12 dB/Ottava per il passa basso, 18 dB/ottava per il passa alto; la pendenza del passa alto è necessaria, vista la bassa frequenza di taglio, per salvaguardare il Driver.

La frequenza di taglio del filtro coincide con la frequenza di risonanza del Driver, pertanto non è possibile utilizzare un filtro a pendenza bassa con una rete notch centrata sulla frequenza di risonanza, e si deve giocoforza usare un filtro a pendenza elevata.
Il Woofer non ha bisogno di protezione, vista la sua potenza nominale più che abbondante.

Accoppiare due vie a pendenza diversa richiede qualche accortezza, non basta calcolare o simulare; sia per le caratteristiche dei trasduttori sia per la frequenza di incrocio non facilissima per entrambi dopo i calcoli e le simulazioni è necessaria una messa a punto sperimentale basata sulle misure acustiche e sull'ascolto.

A fianco la basetta sperimentale usata nella messa a punto del crossover: con alcuni semplici mammut avvitati ad una basetta di legno si possono provare tutte le configurazioni possibili e variare tutti i valori dei componenti con un semplice cacciaviti.

Il woofer da 12” alla frequenza di incrocio scelta, 2 kHz, presenta una impedenza che arriva agli 8 ohm, rispetto ai 4 nominali; si potrebbe pensare di compensare l'impedenza, ma d'altra parte in una cassa destinata a riprodurre potenze elevate compensare l'impedenza del woofer è un'idea che non mi aggrada affatto, lo spreco di potenza si tradurrebbe in una generazione di calore non indifferente.

C'è un modo migliore per ottenere l'incrocio “giusto” senza sprechi e senza componenti superflui, e ciò che è superfluo è sempre dannoso, almeno io la penso così, e non solo per diffusori ad alta potenza.

Si tratta di disegnare il filtro tenendo conto della curva di impedenza reale, cioè l'impedenza nella zona dell'incrocio, in modo che abbia un taglio “dolce” nonostante l'impennata dell'impedenza che tenderebbe a produrre una bella gobba dove invece dovrebbe scendere dolcemente; la partenza è un filtro di Linkwitz-Riley del 2° ordine, che presenta una risposta (teorica) a -6 dB alla frequenza di taglio ed un fattore di merito 0,5, quindi misurata la risposta del woofer sotto filtro ho aggiustato il valore dei componenti fino ad ottenere la risposta voluta. 

Per il Driver la messa a punto è tutto sommato più facile, in quanto la sensibilità in eccesso (oltre 110 dB a 2 kHz, che scende dolcemente fino a 105 a 10 kHz) obbliga ad attenuarlo sostanziosamente, anche se la sua impedenza nominale di 8 ohm implica che, associato ad un woofer da 4 ohm, risulta naturalmente attenuato.

Non c'è verso di evitare l'attenuatore, se si vuole che la risposta in frequenza resti lineare, in quanto la sensibilità del Driver è comunque più elevata di quella del Woofer, quindi date le potenze in gioco, pur essendo la potenza oltre i 2 kHz limitata nel normale programma musicale, le resistenze dell'attenuatore debbono essere da 20 W, costruite ciascuna con 4 resistenze da 5 W in parallelo, saldate sollevate di 5 mm dalla basetta per agevolare il raffreddamento.

Il vantaggio dell'attenuatore è che l'impedenza del complesso  attenuatore + Driver è notevolmente lineare, come si vede nella curva sottostante , e ciò semplifica il calcolo del filtro, che è un Butterworth del 3° ordine.

È da notare che la curva di impedenza del solo driver senza tromba, riportata nella scheda tecnica Ciare (che corrisponde a quella misurata, qui sotto), non è significativa: l'impedenza reale del driver dipende dalla tromba utilizzata (i drivers si possono utilizzare con trombe diverse, a seconda di quali risultati di sensibilità e dispersione si vogliono ottenere).

Con la tromba PR312 l'impedenza misurata del Driver PU380-T senza attenuatore è quella sottostante.

Comunque è stata necessario un certo numero di prove ed aggiustamenti, per ottenere la curva di risposta adeguata ad incrociarsi con il woofer,  anche per trovare i valori migliori delle resistenze dell'attenuatore che dessero la risposta globale più lineare.

La curva sottostante riporta la risposta globale del sistema.

Il punto critico, cioè la gamma attorno all'incrocio, è risolto in modo molto più che soddisfacente.

La dispersione è stata migliore del previsto (sono sempre portato a fidarmi poco):  la curva azzurra è la risposta in asse, la curva rossa è la risposta 45° fuori asse.
Ovviamente la dispersione verticale è nettamente minore, ma questa cassa deve essere posizionata in verticale.

La zona sotto i 200 Hz non è significativa in quanto risente dell'ambiente: la risposta reale a bassa frequenza è mostrata dalla misura in “campo vicino”, nella curva sottostante:

ottenuta  fondendo la risposta del Woofer in "campo vicino" (microfono a circa 5 mm dal diaframma):

con quella del condotto (microfono a filo del condotto di accordo).

Anche la curva di impedenza globale è soddisfacente, in quanto con uno sfasamento massimo di -15° +30° ed una impedenza minima di 4,5 ohm all'incrocio è un carico di tutto riposo per qualsiasi amplificatore.

Nelle immagini sottostanti lo schema del crossover e l'aspetto finale, montato su una basetta millefori passo 5mm.

Il collegamento allo speak-on è saldato alla basetta, in quanto i fast-on sono dal lato speak-on.

La connessione al woofer (con cavo da 2,5 mm2) è invece fatta con fast-on, in quanto il cavo è robustamente incollato alla struttura in legno.

Il collegamento alla tromba è con cavo 2x1,5 mm2, saldato alla basetta e con fast-on dalla parte del Driver.

Per concludere...

Il montaggio finale prevede una guarnizione (normale nastro in gommapiuma adesiva per finestre) sull'imboccatura del Woofer, che viene fissato con 8 viti in acciaio alle bussole filettate.
Internamente ho applicato uno strato di poliuretano a pori aperti da 2 cm sul fondo, sul top e sulle pareti laterali, tenendomi ben lontano dall'imboccatura del condotto reflex; l'applicazione dell'assorbente ha attenuato una risonanza interna nella zona dei 550 Hz, rivelata dalla curva di impedenza senza assorbente. 

La finitura esterna è al naturale, con due mani di turapori carteggiate con gradazione 200, due mani di vetrificante per pavimenti carteggiate allo stesso modo e due ulteriori mani di vetrificante senza ulteriori carteggiature; ho scelto il vetrificante in quanto è estremamente robusto, impermeabile e lascia trasperire il legno, in modo che la cassa resti di colore chiaro.

Sono applicate due robuste maniglie per il trasporto, necessarie per il peso, e normali paraspigoli in ABS ai vertici del parallelepipedo.

Ho effettuato un'ultima misura della risposta, per verificare la sensibilità effettiva (nelle misure effettuate durante la messa a punto il livello è arbitrario, in quanto lo scopo essenziale era la messa a punto dell'incrocio del crossover).

Quest'ultima misura è eseguita con microfono calibrato, dopo aver impostato l'output dell'amplificatore di potenza a 2 V RMS (misurati ai morsetti dell'amplificatore con multimetro di precisione a 5 cifre) e calibrato il sistema di misura (guadagno del pre del microfono, guadagno dell'input della scheda audio) con un Calibratore SPL, a 94 dB come da standard; per questa misura ho usato una scheda audio esterna che permette la conversione a 96 kHz/24 bit.
Il livello è effettivo; la risposta è significativa oltre i 200 Hz, essendo effettuata in ambiente chiuso.

Il suono è aperto e aggressivo, come si addice ad una cassa PA; la resa sui bassi è comunque molto buona, nitida ed abbastanza profonda.
Il rock è “la morte sua”, si comporta bene con jazz e blues, il basso è molto nitido, il fraseggio del contrabbasso di Charlie Mingus è perfettamente intellegibile, non sfigura nemmeno con il classico, grande orchestra, le note più basse del pedale dell'organo sono un po' "sotto", ma stiamo parlando di frequenze fra i 16 ed i 30 Hz.

Il Driver dopo un cospicuo rodaggio perde una certa asprezza che da nuovo lo contraddistingue, e risulta molto nitido.
Una considerazione finale: sui cataloghi delle apparecchiature musicali si trovano casse per PA, con caratteristiche sulla carta analoghe, che costano molto poco ed altre che costano molto.
Questa non costa poco, perché i componenti utilizzati sono al top delle caratteristiche tecniche e di costruzione stratosferica, ma sono convinto che ne valga la pena.