Cassa 10" tre vie

Dopo alcune realizzazioni a due vie, per altro soddisfacenti, mi è chiaro che due vie, stanti le caratteristiche degli altoparlanti reali, sono sempre un compromesso.

Un midwoofer 6”, che ha una ottima resa sui medi e mediobassi e si incrocia bene con qualsiasi tweeter, ha ovvi e insuperabili limiti sulla gamma bassa: arriva dove arriva e comunque manca della pienezza del suono delle prime ottave del pianoforte, per non parlare dell'organo ma anche di una completa sezione di contrabbassi di una qualsiasi grande orchestra.
In questo caso non  conta solo l'estensione, già limitata di suo, ma anche la capacità di muovere un sufficiente volume di aria.

Con un woofer 8” per altro è già difficile realizzare un incrocio soddisfacente con un tweeter: si deve incrociare non troppo in alto perché il woofer comincia a cedere, né troppo in basso perché allora è il tweeter che va in crisi.

Un due vie, nella mia esperienza, è una soluzione solo quando c'è poco spazio e si deve per necessità posizionare le casse su uno scaffale o su un tavolo: in altre parole quando si deve far di necessità virtù.

Personalmente, ma è ovviamente una questione di opinione personale, non trovo molto senso nel posizionare una minicassa (formato più o meno scatola da scarpe, anche delle mie scarpe) su un piedistallo alto un metro per portarla all'altezza delle orecchie e ad mezzo metro dalla parete posteriore, piedistallo che per essere meccanicamente stabile deve avere una base molto più ampia della base della cassa.
Lo spazio totale occupato è grosso modo quello di un monitor Tannoy, solo che la resa è francamente poco eccitante (so bene che la maggior parte dei monitor Tannoy sono coassiali quindi due vie, ma con un carico a tromba le caratteristiche della gamma alta cambiano sostanzialmente, e comunque Tannoy suggerisce l'associazione con un eccellente supertweeter per completare in alto ciò che si è sacrificato per privilegiare in basso).

Tre vie: un progetto decisamente più complesso di un due vie, a partire dalle scelte di fondo.

A parte la tipologia: se decido di realizzare un tre vie è perché ho deciso di non pormi problemi di spazio, quindi la scelta cade sulla cassa chiusa che ha una risposta comunque più controllata di qualsiasi reflex, anche QB3.

In un tre vie la scelta fondamentale è sulle frequenze di incrocio: se in un due vie la frequenza è sostanzialmente “suggerita” dal woofer e dal tweeter scelti, e quindi non ci sono tanti gradi di libertà, nel caso di tre vie le soluzioni possono essere diverse, come mostra la varietà di soluzioni proposte dai costruttori più blasonati.

Diversi costruttori ci propongono soluzioni sostanzialmente diverse, JBL ad esempio propone un 3 vie con   mid e tweeter a tromba e frequenze di incrocio  800 Hz e 7000 Hz, mentre KEF e Sonus Faber seguono la filosofia opposta, la prima con ad es. Blade 2 e la seconda con Chameleon T (ma in genere la maggior parte dei modelli) con incroci a 250 – 300 Hz e 2500 Hz.

La scelta delle frequenze di incrocio risponde a requisiti molto diversi.

Stante la distribuzione energetica nella musica “normale” un incrocio “alto” significa privilegiare la tenuta in potenza, affidare ad un woofer solido (vedere su Audio Review n. 360 il woofer JBL) la gamma in cui si concentra la maggior parte dell'energia, come nella vocazione della casa.

Un incrocio “basso” significa che al midrange è affidata la parte più carica di “significato” della musica.
La gamma vocale umana, ad esempio, e la gamma degli strumenti melodici, che in tal modo viene affidata ad un unico diaframma evitando le discontinuità, la diversità di direzionalità e le rotazioni di fase inevitabili ad ogni incrocio.
In questo caso le caratteristiche del midrange devono essere sostanzialmente diverse: deve avere una escursione notevole per poter scendere in basso senza apprezzabili aumenti di distorsione e deve essere robusto per sopportare una potenza non trascurabile.

Ciò comporta una massa maggiore e quindi una limitazione della gamma alta.

Per muovere un volume di aria accettabile e confrontabile con quella del woofer alla frequenza di incrocio deve essere necessariamente a cono e di diametro significativo, infatti vediamo nei due esempi KEF e Sonus Faber (sempre Audio Review, n. 365 e 366) mid da 5” e 4,5”, in altri esempi altrettanto blasonati anche 6” (Mission SX4).

Con questa scelta tecnica il trasduttore più critico è il midrange, e il crossover è nettamente più complesso che in un due vie.

Criteri di progetto

Le frequenze di incrocio saranno 350 e 2750 Hz, per lasciare al midrange tutta la gamma vocale.

Gli altoparlanti

Io non ho problemi di potenza, ascolto la mia musica in un ambiente non enorme e quindi continuo a essere soddisfatto dei miei 6 + 6 W, che però sono forniti da un amplificatore ovviamente valvolare ed ovviamente in Classe A e ovviamente senza controreazione globale (“ovviamente” vale per me, come è chiaro dagli altri articoli pubblicati in questo sito).

E altrettanto ovviamente il diffusore è progettato in funzione di quell'amplificatore, che essendo in Classe A  senza controreazione globale ha una impedenza di uscita piuttosto alta, circa 3,5 ohm, se confrontata con quella di qualsiasi sistema a stato solido.

Come ho già detto, la cassa sarà una cassa chiusa.
La cassa chiusa è meno sensibile di un reflex all'impedenza di uscita dell'amplificatore, ma è comunque sensibile, basta fare qualsiasi simulazione e se non ci si fida della simulazione basta ascoltare (che è sempre la prova definitiva in quanto i diffusori e gli amplificatori si usano per ascoltare MUSICA e non misurare segnali artificiali).

Il woofer è un 10” adatto all'accordo in cassa chiusa: significa che il Qt deve essere non troppo basso e la fc bassa.
Ma l'impedenza di uscita dell'amplificatore causa un innalzamento sostanzioso di Qt, quindi in realtà in questo caso un woofer adatto al funzionamento in reflex è più indicato.

Un ottimo componente è quindi il Ciare HW251N, che alla simulazione si comporta esattamente come deve.
Il suo Qt pari a 0,36 dopo aver impostato una Ra + Rg pari a 3,5 Ohm  diventa 0,53; con l'altoparlante montato in una cassa di circa 90 litri moderatamente riempita di assorbente il sistema ha un Qt attorno a 0,66, che verrà poi aggiustato variando la quantità di lana acrilica.

Il midrange ha un compito gravoso, come già spiegato, nella gamma Ciare non ho trovato un componente adatto, con una adeguata escursione e in grado contemporaneamente di salire in frequenza.
Deve essere a cono, non a cupola per poter scendere in basso.
Dopo varie ricerche sono approdato al Monacor SPH-135-KEP, un promettente mid con cono in kevlar e ogiva rifasatrice, che promette un'ottima curva di risposta.

Sarà chiuso in un volume di circa 12 litri ben coibentato con assorbente.
Acquistata una coppia e sottoposta a misure, ha dimostrato di mantenere perfettamente le promesse e anche una sorprendente analogia nei parametri dei due esemplari.
La risonanza nel suo box è a 75 Hz.

Per il tweeter non ho dubbi, squadra che vince non si cambia e quindi Ciare HT263, cupola morbida in seta da 1”, già sperimentato con notevole soddisfazione in altre casse; inoltre in questo caso sarà ancor meno sollecitato in basso.

Il crossover

La progettazione prima e la messa a punto poi del crossover è la parte più impegnativa della realizzazione.
La falegnameria necessaria alla costruzione fisica della cassa è faticosa e lunga, ma non concettualmente complessa.

In un crossover, una volta decise le frequenze di incrocio, si deve decidere la pendenza dei rami del filtro.
La pendenza deve essere acustica, non puramente elettrica, in quanto la pendenza naturale della risposta dell'altoparlante si combina con la pendenza elettrica delle reti.

È noto che i modelli matematici degli altoparlanti portano ad assimilarli ad un filtro passa alto seguito ad un filtro passa basso.

La modellazione è stata effettuata con strumenti diversi, partendo dal classico CROSS-PC ed effettuando poi alcune rettifiche dovute alla presenza delle celle LC serie in parallelo sia al mid che al tweeter.

Le celle sono LC pure (trascurando la resistenza intrinseca degli induttori) e non hanno la funzione di linearizzare l'impedenza degli altoparlanti alla risonanza ma di costituire un cortocircuito elettrico alla frequenza di risonanza.
Il cortocircuito elettrico ha la funzione di bloccare le vibrazioni del cono alla risonanza indotte dalle vibrazioni meccaniche/acustiche causate dal woofer (per il midrange) e dal midrange (e dal woofer in misura minore) per il tweeter, vibrazioni spurie che “sporcherebbero” il suono.

Il sistema, che non è di mia invenzione, sia chiaro, funziona, l'ho sperimentato sul tweeter, ho quindi deciso di adottarlo anche per il mid.

Le due celle sono state calibrate sulle frequenze di risonanza misurate sugli altoparlanti, per il mid ovviamente misurando la risonanza dell'altoparlante montato nel suo alloggiamento nella configurazione finale, con l'assorbente acustico.

La cella però cambia sostanziosamente la curva di impedenza dell'altoparlante alla risonanza (vedi il filtro crossover del due vie 8”), quindi nella gamma su cui opera la sezione passa alto del crossover, rendendo inutilizzabili i simulatori.
I due passa alto sono stati quindi ricalcolati manualmente per ottenere il risultato voluto: frequenza di taglio e pendenza.

Il tutto seguito da lunghe misure prima e ascolti dopo per trovare i valori ottimali dei componenti, nell'ambiente di ascolto.

Nell'immagine del filtro, scattata prima del fissaggio definitivo dei componenti con la colla termica, si vedono piccoli condensatori in parallelo ai più grossi e alcuni induttori coperti di nastro, che serve a fissare le spire aggiunte per raggiungere l'induttanza necessaria.

Gli induttori di grande induttanza sono su nucleo, realizzati con cavo di grosso spessore (1,8mm) per ridurre la resistenza totale.
I condensatori utilizzati sono elettrolitici bipolari dove è richiesta una capacità elevata e, se operano sopra i 500 Hz, hanno in parallelo condensatori MKT da 1 o 2,2 uF.
Il passa alto del Tweeter usa un MKT.


Veniamo alle sezioni del filtro.

I valori come si vede sono ben diversi da quelli che risulterebbero dall'applicazione delle formule canoniche che considerano il carico una resistenza pura, formule che si trovano in rete in parecchi siti e non servono ad alcunché perché gli altoparlanti reali non sono resistori.

Il passa basso del woofer è del II Ordine, con una resistenza da 0,5 ohm in serie al condensatore per aggiustare lo smorzamento.

Il filtro passa banda del mid è composto da un passa basso del III ordine elettrico calcolato tenendo conto dell'andamento dell'impedenza del mid (misurata) alla frequenza di transizione e poi modificata con misure e ascolto, e un passa basso costituito da un solo condensatore in serie che, in unione alla cella LC produce alla fine qualche cosa di simile ad una doppia pendenza, con transizione “morbida” dal I al II ordine a partire dalla frequenza di transizione.

Il passa alto del tweeter ha una struttura simile, è di base un II ordine con pendenza modificata dalla cella LC, la rete di attenuazione riduce però l'effetto.

La realizzazione

Ho usato multistrato di pioppo da 20 mm, la forma è classicamente a torre alta 120 cm, la presenza del comparto del mid e tweeter nella parte anteriore e dell'alloggiamento del crossover nella parte posteriore creano nella parte alta una cavità di forma irregolare che dovrebbe contribuire un po' a limitare le onde stazionarie.
Poco sotto il woofer è posizionata una centina con rinforzo trasversale e ancora più sotto una crociera che unisce la parete posteriore all'anteriore e le due laterali; questi due “rinforzi” servono ad irrobustire la struttura e limitare le vibrazioni dei pannelli, soprattutto laterali, che sono piuttosto grandi.

La struttura interna è delineata sopra, non fornisco quote in quanto le casse sono state progettate per inserirsi in un ambiente ben preciso, altre realizzazioni dovranno essere studiate a cura del progettista.

Il fissaggio degli altoparlanti è come sempre effettuato con bussole filettate, in modo da poter smontare gli altoparlanti e assicurare una buona presa sul legno; il multistrato di pioppo non è un legno particolarmente resistente alle viti.
L'alloggiamento del midrange ha svasature in corrispondenza delle aperture del cestello per ridurre le interferenze con l'emissione posteriore.

Allo scopo di minimizzare l'effetto delle diffrazioni causate dai bordi del pannello anteriore il Midrange e il Tweeter sono decentrati rispetto alla mezzeria del pannello, la posizione è grossomodo corrispondente alla sezione aurea della larghezza, e il Tweeter è posto fra il Midrange e il Woofer, cosicché le distanze della cupola dai tre bordi sono diverse fra loro.

Il contenitore del midrange è riempito completamente di lana acrilica appena pressata, il volume del Woofer è riempito di lana acrilica pressata solo in alto (nella parte a profilo trapezoidale) e sul fondo, mentre lo spazio dietro al woofer è riempito non totalmente.
La quantità finale di assorbente per il woofer è stata determinata in base all'ascolto, in quanto la posizione delle casse è obbligata.

La verniciatura consiste in 6 mani di vetrificante per pavimenti con carteggiatura fra una mano e l'altra.
La smussatura degli spigoli ha solo una funzione estetica, per avere effetto sulle diffrazioni dovrebbe avere un raggio di 25 mm almeno.

Prestazioni

Il suono, dopo un discreto rodaggio, è soddisfacente, dettagliato e corposo come deve in gamma bassa e con una buona gamma media, che è l'obiettivo del tre vie.

La risposta al rumore rosa, a terzi di ottava, è misurata nell'ambiente di ascolto, con il microfono posto nella posizione di ascolto normale all'altezza della mia testa, ed è sufficientemente lineare, tendente al brillante.