Bookshelf 2 vie 8”

Le casse da sostituire erano state scelte in base alle dimensioni dell'ambiente originale (il solito fattore waf) e avevano ciascuna due woofer da 13 cm, di cui uno montato sul fondo: le casse erano dotate di piedini e la superficie inferiore contro il ripiano di appoggio contribuiva a creare un prolungamento del condotto di accordo.
Comunque con due woofer così piccoli non c'era una soddisfacente estensione verso il basso e la risposta, probabilmente per ovviare alla scarsa estensione, non era sufficientemente smorzata, ovviamente secondo i miei gusti.

L'ambiente attuale è molto più grande, ma la sistemazione obbligata è comunque a scaffale, le casse sono inserite in un mobile a ripiani che non si può modificare, né io d'altra parte intendo sconvolgere l'arredamento della sala per inserire dei mastodonti o delle casse piccole che però debbono stare su un piedistallo a un metro dalla parete posteriore e uno e mezzo da quelle laterali (occupando così molto più spazio di una coppia di monitor Tannoy).

Anche le dimensioni sono dettate dallo spazio disponibile fra i ripiani e ciò mi ha posto alcuni vincoli sulla forma delle casse, che effettivamente sono un po' “strane”.

Criteri di progetto

L'amplificazione è a stato solido, il valvolare è riservato al mio studio, e quindi l'accordo sarà progettato in funzione di una impedenza di uscita trascurabile, dovrò solo tener conto della resistenza in cc dell'induttore del filtro passa basso.

Lo spazio mi obbliga a un due vie, l'idea di un tre vie con gli altoparlanti disposti a caso sul pannello frontale per risparmiare altezza non mi garbava per nulla, e un due vie mi obbliga ad un woofer da 20 cm, non più, e so già a priori che l'incrocio con il tweeter sarà difficile da mettere a punto.

Devo quindi trovare un 20 cm che mi permetta una estensione verso il basso accettabile (vorrei ascoltare anche il pedale dell'organo) in un volume non eccessivo, l'accordo reflex in questo caso è obbligatorio, ma dopo varie esperienze non solo HiFi deve essere un QB3.

Spendo quindi un po' di tempo a simulare con BASS-PC vari altoparlanti dal catalogo Ciare, alla fine il più adatto risulta essere il Woofer HW203, in Fig. 1; ha il diaframma in polipropilene, preferirei in carta ma decido di provare comunque.

Fig. 1: specifiche tecniche del woofer (dal catalogo Ciare)

Per il tweeter non ho dubbi, il classico HT263, che conosco bene e mi piace moltissimo, in Fig. 2.

Fig. 2: specifiche tecniche del tweeter (dal catalogo Ciare)

Le simulazioni del reflex

L'HW203 ha un Qt un po' alto per un QB3N4 e ciò mi dice a priori che dovrò adottare un induttore per il filtro passa basso con resistenza la più bassa possibile: in pratica sapendo a priori, prima di qualsiasi calcolo, che l'induttanza dovrà essere attorno a 1 – 1,3 mH utilizzerò un induttore su nucleo da 3 mH e toglierò tutte le spire che servono per portarlo al valore voluto.
Simulo quindi con 0,2 ohm: la prima simulazione, in Fig. 3, fornisce un volume che mi risulta accettabile ma una risposta che non è proprio l'ottimale, in Fig. 4: una “piega” un po' troppo brusca verso il basso, pendenza elevata e sovraelongazione sul ginocchio; la sovraelongazione è circa 1 dB, niente di che, ma preferisco pendenze più dolci.

Fig. 3: la prima simulazione con BASS-PC

Fig. 4: la curva di risposta della prima simulazione

Decido di lasciare il volume invariato e di abbassare la frequenza di accordo a 35 Hz: il risultato è accettabile, in Fig. 5 la simulazione, in Fig. 6  la risposta stimata; un ulteriore abbassamento non porta vantaggi alla curva ma abbassa la tenuta in potenza, decido per i 35 Hz.

Fig. 5: la seconda simulazione con BASS-PC

Fig. 6: la curva di risposta della seconda simulazione

In realtà la tenuta in potenza non sarebbe un problema, nonostante le dimensioni dell'ambiente i miei 20 W sono più che sufficienti, non ascolto mai musica a volumi elevati, però non avrebbe senso rinunciare ad una migliore tenuta in cambio di niente.

In Fig. 7 la curva di impedenza calcolata.

Fig. 7: la curva di impedenza

Risulta una cassa da 40 dm3 accordata a 35 Hz con un condotto di superficie equivalente ad un tubo di 68 mm e lungo 160 mm.

Nonostante la bassa potenza che applicherò alle casse decido anche di ridurre quanto più possibile le turbolenze del condotto di accordo, che quindi avrà i bordi sia esterni che interni rastremati e sull'imboccatura interna una flangia ampia circa 4 cm su ogni lato.

La posizione delle casse è vincolata allo scaffale, la posizione di ascolto è a circa 3 m dalle casse che sono a circa 3 m l'una dall'altra.
Le casse non si possono ruotare quindi i pannelli che supportano gli altoparlanti devono essere inclinati verso la posizione di ascolto.

Il risultato finale è quello della Fig. 8.

Fig. 8: la cassa finita

La costruzione

Questa volta opto per multistrato da 20 mm.
Il taglio normale è fatto dal rivenditore, il taglio obliquo lo farò io.

Fig. 9:  la cassa in costruzione.

Fig. 10: un dettaglio dei condotti di accordo.

Fig. 11: il condotto di accordo finito.

Fig. 12: la cassa prima della chiusura con il pannello superiore.

I bordi laterali dei pannelli anteriore, obliquo e laterale sono stati smussati per avere l'angolazione che permettesse l'incollaggio su una superficie sufficiente, le giunture interne sono comunque irrobustite con una pasta di segatura e colla vinilica.

Il pannello posteriore che è molto ampio è irrigidito da un listello incollato in posizione decentrata in modo che le risonanze proprie dei due pannelli risultanti siano situati a frequenze più alte e quindi di minore ampiezza e più facilmente smorzabili e soprattutto diverse.

Sul pannello posteriore è praticata l'apertura per i morsetti di ingresso, che sono avvitati con una guarnizione su un pannellino spesso 8 mm, più che sufficienti date le dimensioni ridotte del pannellino, incollato all'apertura dall'interno.

Il Crossover

L'incrocio di un tweeter con un woofer da 8” non è una cosa semplice, la frequenza di incrocio non può superare i 2 – 2,2 kHz in quanto il woofer a quella frequenza comincia ad avere problemi di dispersione, mentre questa frequenza è vicina alla risonanza del tweeter quindi il calcolo del crossover è complicato dal picco di impedenza alla risonanza.

Nonostante i pannelli su cui sono montati gli altoparlanti siano inclinati verso il punto di ascolto proprio per ovviare alla direzionalità del woofer nella parte alta della sua gamma, in realtà il problema in certa misura rimane, in quanto in un ambiente normale, cioè non in camera anecoica, il suono riflesso contribuisce in misura molto significativa al suono percepito dall'ascoltatore.

Direzionalità significa in sostanza che l'energia emessa diminuisce e il crossover dovrà ovviare a questa diminuzione, con una risposta maggiore nell'area di maggior direzionalità.
In altre parole per avere in ambiente riverberante una risposta uniforme la risposta in asse dovrà avere un certo grado di esaltazione; di quanto è difficilmente calcolabile a priori, in questi casi le “sacre formule” possono dare solo una indicazione preliminare dei valori, che poi debbono essere tarati con sessioni di misura e ascolto.

È chiaro, almeno a me sembra chiaro, che ottenere una cassa tarata per “qualsiasi” ambiente di ascolto è difficile, chi produce casse deve necessariamente sviluppare un progetto basato su considerazioni statistiche.
È anche vero che trattati teorici basati sullo studio degli ambienti di ascolto normali esistono, sull'AES Journal si trovano analisi delle prestazioni acustiche di ambienti domestici diversi, classificati per dimensioni e forma.
Quello che è certo è che le prestazioni teoriche e le misure in camera anecoica servono al progettista, non a capire se una cassa suona in modo equilibrato.

I criteri iniziali sono:  frequenza di transizione  2,2 kHz,  passa basso con pendenza elettrica di 12 dB/ottava, passa alto con pendenza elettrica 18 dB/ottava.

Il woofer ha una curva di risposta in asse sostanzialmente lineare, fenomeni di break-up a parte, fino a circa 5 kHz, quindi la pendenza acustica complessiva dovrebbe essere di 12 dB/ottava fino a quella frequenza, per poi aumentare.
Non metto alcuna rete di compensazione dell'impedenza del woofer, quindi in realtà la pendenza sarà minore, questo dovrebbe anche contribuire a produrre un lieve aumento dell'emissione nella gamma alta del woofer stesso, per ovviare alla minore dispersione.

In parallelo al tweeter metto una cella LC serie accordata alla frequenza di risonanza del tweeter.
Questa cella, se abbatte la risonanza meccanica dell'equipaggio mobile eccitata dalle vibrazioni indotte dal woofer, abbatte anche l'impedenza del gruppo tweeter-cella LC e quindi influenza pesantemente la risposta del filtro passa alto.

In Fig. 13 si vede l'andamento delle impedenze:
la curva rossa (quasi una retta) è l'impedenza di riferimento: un resistore da 8,2 ohm
la curva magenta è l'impedenza del tweeter
la curva verde è l'impedenza della cella LC serie
la curva blu è l'impedenza del tweeter con la cella LC in parallelo

Fig. 13: curve di impedenza del tweeter con e senza cella LC

Come si vede il picco alla risonanza si è trasformato in un avvallamento profondo, che aumenterebbe sostanziosamente la pendenza acustica del sistema filtro + tweeter, modificandone anche la frequenza di transizione.

La messa a punto del filtro dovrà portare alla frequenza di transizione di progetto, con una pendenza acustica  non superiore ai 18 dB/ottava e una impedenza totale del crossover che non scenda sotto i 6 ohm.

La realizzazione del crossover secondo i calcoli teorici, anche tenendo conto dell'impedenza effettiva degli altoparlanti nella zona di incrocio (il tweeter con la cella LC), dava come risultato un suono assolutamente privo di presenza, decisamente povero in gamma media anche se la risposta in ambiente in asse con rumore rosa, pesata in funzione del rumore rosa, sembra quasi lineare, in Fig.14.

Fig. 14: risposta in ambiente misurata con rumore rosa (prima versione del crossover)

Il microfono non è molto attendibile oltre i 10 kHz, e non ho applicato il file di correzione, ma non mi interessava molto la risposta in gamma altissima, e il trascurabile avvallamento attorno ai 2 kHz non rende l'idea della scarsa presenza che la cassa mostrava all'ascolto con vari generi musicali.

La messa a punto preliminare del crossover è stata effettuata con il crossover fuori dalla cassa; sapevo che avrei dovuto portare sostanziose modifiche ai valori teorici per ottenere un risultato accettabile.
Ma anche dopo aver trovato una configurazione che sembrava adeguata e aver chiuso il crossover nella cassa, ho impiegato parecchio tempo e tre diversi interventi sul crossover sono stati necessari per trovare alla fine il suono che cercavo.
Evidentemente le prove e le modifiche che ogni volta realizzavo portavano un miglioramento che me le rendevano solo più soddisfacenti del suono immediatamente prima della modifica, con il quale effettuavo il confronto.

Ma nei giorni successivi, esaurito l'effetto anche psicologico della modifica, mi rendevo conto che il lavoro di messa a punto non era finito.
Per arrivare al risultato che considero  definitivo (almeno per il momento...) devo ammettere che ho impiegato parecchie settimane.

Lo schema finale del crossover è in Fig. 15: topologicamente sembra un passa basso del secondo ordine e un passa alto del terzo, ma i valori sono molto lontani da quelli che dovrebbero essere, in realtà il passa alto è quasi un secondo ordine elettrico, si arriva al terzo ordine acustico grazie al “buco” nell'impedenza del tweeter alla risonanza causato dalla cella LC serie.

Fig. 15: crossover, lo schema

In Fig. 16 il crossover, realizzato su basetta millefori; è stato fissato al pannello posteriore con quattro viti agli angoli, uno strato di materiale smorzante sotto, fra la basetta e il legno, e tutti i componenti sono stati fissati meccanicamente con colla a caldo.
La versione della fotografia non è quella definitiva, che ha componenti di valore più o meno diverso e una quantità “industriale” di colla termica per impedire qualsiasi vibrazione.

Fig. 16: crossover, la realizzazione

In Fig. 17 l'impedenza globale misurata: l'impedenza non scende mai sotto i 7 ohm e nella zona di crossover è regolare senza pendenze eccessive; al di sopra di 200 Hz, zona del minimo di impedenza, la fase è sempre inferiore (in valore assoluto) a 30°.
I due picchi attorno alla frequenza di accordo coincidono bene con la simulazione, ciò significa che l'accordo corrisponde al progetto.

Fig. 17: la curva di impedenza

L'assorbente acustico

Nonostante in genere io sia molto parco di assorbente acustico nelle casse reflex, in questo caso dopo qualche ascolto ho deciso di applicare assorbente acustico in misura maggiore del solito, per smorzare le onde stazionarie ( si vede ancora un accenno poco sotto i 1000 Hz) e aumentare lo smorzamento globale.
L'assorbente acustico, poliuretano a pori aperti di spessore 4 cm, è su tutte le pareti tranne quella del condotto e degli altoparlanti, ed è comunque lontano dall'imboccatura interna del condotto di accordo.

Conclusioni

Ogni scarrafone è bello a mamma sua...

Il suono in ambiente è equilibrato, e posso ascoltare l'Arte della Fuga all'organo senza perdere il pedale, o il contrabbasso di Paul Chambers senza avvertire alcuna coda fastidiosa.

La gamma bassa è ben presente, la collocazione tende ad esaltarla, ma nitida.
La gamma media, per quanto dopo l'ultima messa a punto sia ben presente, è un po' “morbida” (l'uso di termini come questo per descrivere le prestazioni di un altoparlante mi lascia sempre un po' perplesso, ma non so che altro termine usare) presumo a causa del diaframma in polipropilene.
Non userei questo woofer per un monitor da studio, ma per un ascolto domestico lo trovo più che soddisfacente.

La gamma acuta, merito del tweeter, impeccabile.

È però probabile che in un ambiente diverso, più piccolo (la mia sala è 46 m2) o con pareti diversamente assorbenti, o solo con una collocazione diversa, il crossover debba essere riprogettato.

E per finire mia moglie ha pure detto che stanno bene nell'ambiente........