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Sensibilità, Efficienza e Potenza degli altoparlanti Poche annotazioni per ridurre la confusione e interpretare correttamente le specifiche tecniche fornite dai costruttori.
Spesso si usano indifferentemente i termini sensibilità ed efficienza, e spesso si utilizzano gli altoparlanti in modo improprio, avendo interpretato le specifiche tecniche in modo non coerente con i protocolli in base ai quali le specifiche tecniche sono definite. Mentre ciò
può essere poco rilevante nel caso di diffusori HiFi, che
difficilmente vengono sollecitati, durante l'uso normale, cioè
domestico, ai limiti delle loro potenzialità, nel caso di
utilizzo professionale o musicale la corretta interpretazione dei
parametri tecnici può evitare cattive sorprese. Sensibilità Nel caso specifico degli Altoparlanti la sensibilità si esprime in dB SPL. SPL significa Sound Pressure Level, cioè livello di pressione sonora,
misurata rispetto al livello di pressione sonora minima udibile:
ovviamente è una definizione basata su standard, la pressione
“minima udibile” è un livello stabilito una volta
per tutte su base statistica. Giusto per fare alcuni esempi, stabilito questo riferimento standard si può dire che una officina meccanica in funzione produce un livello di 90 dB SPL, un martello pneumatico ad 1 metro un livello di 100 dB SPL, un motore a reazione a 3 metri un livello di 140 dB SPL. La soglia del dolore è ad un livello di 130 dB SPL. Un altoparlante è un trasduttore elettroacustico, cioè un dispositivo che trasforma un segnale elettrico in un suono. Per un altoparlante quindi è necessario conoscere quale livello sonoro produce quando alimentato con un segnale elettrico di potenza determinata. La capacità di un altoparlante di tradurre un segnale elettrico in suono dipende da molti fattori, ma uno degli aspetti più importanti per capire quanto è adatto ad un certo scopo è il livello sonoro prodotto in funzione della frequenza, in quanto a causa delle caratteristiche fisiche quali superficie radiante, massa mobile, rigidità delle sospensioni, il livello sonoro emesso non è costante al variare della frequenza. Quindi la sensibilità di un altoparlante è rappresentata in genere da una curva che esprime il livello dB SPL in funzione della frequenza, rispetto ad un segnale determinato. L'immagine
che segue mostra la curva di sensibilità del PW252: la useremo
come base di discussione per cercare di chiarire i vari aspetti del
problema. Quando si espongono parametri tecnici e misure, questo vale sempre in ambito tecnico e scientifico, i numeri esposti sono una informazione priva di significato se non è specificato come viene effettuata la misura. Vediamo quindi le modalità di misura in funzione delle caratteristiche misurate. Regolarità ed estensione La prima osservazione che si può fare è che la sensibilità, cioè il livello sonoro prodotto, dipende molto dalla frequenza e non è affatto regolare: a questo punto bisogna capire da cosa derivano queste irregolarità, cioè in quale misura le irregolarità siano una caratteristica propria dell'altoparlante e quanto le modalità di misura influiscano sulla curva stessa. Nel catalogo Ciare da cui la curva è tratta è specificato che questa misura è rilevata con l'altoparlante montato su pannello IEC: il pannello IEC è un pannello le cui misure sono definite da uno standard, per gli altoparlanti fino a 25 cm (10”) il pannello misura cm 135 x 165, per altoparlanti di diametro maggiore misura cm 169 x 207. Nel pannello IEC l'altoparlante è montato decentrato rispetto ad entrambe le dimensioni, in posizione circa corrispondente alla sezione aurea della dimensione considerata. Altri altoparlanti sono invece misurati in cassa chiusa, e nell'introduzione tecnica al catalogo è specificato che il volume della cassa non corrisponde necessariamente al volume ottimale. Il pannello o la cassa servono ad evitare il “cortocircuito acustico” alle frequenze basse: quando la lunghezza d'onda del suono emesso diventa paragonabile alle dimensioni dell'altoparlante si crea una interferenza fra l'emissione anteriore e quella posteriore, che falsa il risultato della misura. Il pannello sposta l'interferenza a frequenze basse, ma non essendo di dimensioni infinite l'interferenza si colloca comunque a frequenze che rientrano nella gamma riprodotta; le curve rilevate con pannello IEC presentano necessariamente un avvallamento fra i 300 ed i 450 Hz ed un altro, meno pronunciato, fra 600 e 900 Hz: questi avvallamenti non sono caratteristici dell'altoparlante a del modo in cui la sensibilità viene rilevata. Le frequenze 300 e 600 Hz e rispettivamente 450 e 900 Hz dipendono dalle dimensioni del pannello: le frequenze più basse per il pannello maggiore e le più alte per il pannello minore. La cassa chiusa elimina totalmente l'interferenza, ma modifica il comportamento dell'altoparlante.
Quindi è essenziale sapere come la misura è fatta, per
depurare la risposta dagli avvallamenti prodotti dal pannello oppure
dall'influenza della cassa; quest'ultima è più difficile
da determinare, in quanto le frequenze degli avvallamenti prodotti dal
pannello IEC dipendono esclusivamente dalle caratteristiche del
pannello, mentre il comportamento di un altoparlante in cassa dipendono
dalla interazione fra la cassa e l'altoparlante. La
curva di sensibilità ha senso, cioè ci fornisce una
informazione “vera” ed utile, solo se è chiaro con
quale segnale viene misurata. La curva è misurata “in camera anecoica con il microfono di misura posto ad 1 metro di distanza dall'altoparlante, pilotato con una tensione equivalente ad 1 W di potenza calcolato sull'impedenza nominale dell'altoparlante” (citazione letterale dal Catalogo Ciare). " applying 1W/1m into the nominal impedance. Ie: 2.83 V/8 ohms, 4 V/16 ohms (citazione dai fogli tecnici Eminence). La specifica “tensione equivalente ad 1 W”, e la specifica Eminence perfettamente equivalente, si chiarisce osservando la curva di impedenza dell'altoparlante: l'altoparlante con una impedenza nominale di 8 ohm ha una impedenza che in realtà dipende dalla frequenza e varia da un minimo di circa 8 ohm ad un massimo di circa 50, nella gamma di frequenza utile. Definire una potenza di 1 W ( ricordiamo che W = V^2 / R ) per misurare una quantità (la sensibilità) che varia con la frequenza, quando il carico (l'impedenza dell'altoparlante) non è costante con la frequenza non è molto significativo in quanto si dovrebbe alimentare un altoparlante con una tensione variabile con la frequenza in funzione dell'impedenza, ed è inutile ai fini della valutazione del trasduttore (è a questo scopo che sono stati definiti i Parametri tecnici e gli standard di misura, per ottenere dati confrontabili in quanto ottenuti in condizioni note e riproducibili); in altri termini la Potenza non è un riferimento univoco quando il carico ha un comportamento non costante e varia con la frequenza in modo “arbitrario”. Ed anche la potenza degli amplificatori viene definita su carico resistivo, cioè costante con la frequenza. Pertanto si effettua la misura con un segnale la cui tensione RMS è quella che darebbe una potenza di 1 W su una resistenza pura (che è indipendente dalla frequenza) di valore pari all'impedenza nominale dell'altoparlante. Quindi
un altoparlante da 8 ohm viene misurato con una tensione di 2,83 V,
mentre un altoparlante da 4 ohm viene misurato con una tensione di 2 V
ed un altoparlante da 16 ohm viene misurato con una tensione di 4
V. Come viene misurata la sensibilità è una informazione importante, perché consente di paragonare altoparlanti diversi e consente anche di valutare le informazioni fornite dai simulatori. Ad esempio BASS-PC calcola la sensibilità con un segnale di 2,83 V RMS, indipendentemente dall'impedenza nominale dell'altoparlante: dato che questo è dichiarato esplicitamente nella schermata del calcolo, ciò non costituisce assolutamente un problema, basta sapere che se si vogliono confrontare un altoparlante da 8 ohm ed uno da 4 ohm, si debbono sottrarre 3 dB alla sensibilità risultante per l'altoparlante da 4 ohm. Invece WinISD PRO calcola la sensibilità con un segnale equivalente ad 1 W, quindi i valori sono direttamente confrontabili. Spesso viene anche dichiarata una sensibilità mediante un numero: ad esempio per il PW252 il catalogo dichiara 97 dB. L'esame visivo della curva mostra che in realtà 97 dB corrispondono a due picchi abbastanza stretti, mentre un dato più significativo può essere definito dalla media nella gamma fra 200 e 2000 Hz, e ci porta ad un valore che si può stimare attorno ai 95 dB. Sotto i 200 Hz l'interferenza causata dal pannello rende la curva meno significativa. Per
paragone, possiamo confrontare la curva con la seguente, sempre dal
catalogo Ciare, del PW328, che è rilevata in cassa chiusa. La sensibilità quindi è più costante con la frequenza, ed il valore medio coincide abbastanza con il dato numerico dichiarato nel catalogo: 98 dB. Le irregolarità ad alta frequenza dipendono dal fatto che il cono, che alle basse frequenze è effettivamente “rigido” (cioè tutte le sue parti si muovono assieme), alle frequenze alte, cioè quando la lunghezza d'onda è minore del diametro del cono, non è più veramente rigido. La parte vicina alla bobina mobile, che riceve la sollecitazione, si muove in maniera solidale con la bobina mobile, le parti periferiche (quelle vicine alla sospensione) non riescono a seguire il movimento della parte interna, il cono si flette in modi vari che dipendono dalla frequenza e la risposta diviene irregolare. Negli altoparlanti per strumenti queste irregolarità contribuiscono al “carattere” sonoro dell'altoparlante stesso, mentre nell'uso HiFi o PA si provvede mediante il crossover a tagliare il segnale a quelle frequenze cui le irregolarità diventano sensibili. Si può osservare che esiste una coincidenza fra le irregolarità nella risposta e le irregolarità nella curva di impedenza, le più significative a 370, 1000 e 1500 Hz: le irregolarità nella curva di impedenza indicano che a quella frequenza il cono cambia "modo" di vibrazione, si verifica il cosidetto "break up" del diaframma, e il livello del suono ne risente.
La potenza acustica si misura in Watt acustici. Pochi fabbricanti dichiarano l'efficienza, nei fogli tecnici Ciare è identificata dal simbolo η° . L'efficienza è un valore calcolato in base ai parametri dell'altoparlante, secondo la formula che segue (è un'ottima approssimazione): η° = 4π^2 * Fs^3 * Vas / c^3 * Qes ( c è la velocità del suono) L'efficienza tipica di un altoparlante professionale può essere compresa fra il 2% ed il 5%; uno dei fattori che influenzano l'efficienza è il diametro (maggiore è il diametro maggiore è l'efficienza). Questi valori di efficienza significano che su 100 W forniti ad un altoparlante ne vengono trasformati in energia acustica fra 2 e 5, tutto il resto (cioè fra 98 e 95 W) viene trasformato in calore, quindi perso.
Il problema più grosso degli altoparlanti professionali è
proprio la dissipazione del calore prodotto: oggi sono di uso comune
nel settore professionale altoparlanti con potenze dichiarate di 1000
W, dei quali 950 o più se ne vanno in calore, praticamente una
stufetta elettrica.
È ovvio che la sensibilità di un altoparlante è legata all'efficienza: maggiore è l'energia acustica emessa ( = più efficienza) maggiore è il livello sonoro ( = maggiore sensibilità), a parità di energia elettrica fornita, ma i due parametri sono concettualmente diversi, e alla fine ci dicono due cose diverse, anche se correlate: l'efficienza ci dice quanta potenza elettrica viene convertita in energia sonora, quindi analogamente quanta energia elettrica si spreca, la sensibilità ci dice quanto suono si produce. Due altoparlanti caratterizzati dallo stesso fattore numerico di efficienza potrebbero avere un comportamento molto diverso in funzione della frequenza: ad esempio uno potrebbe avere una curva di sensibilità che sale verso le alte e un altro una curva di sensibilità che scende, e quindi suonare in modo diverso. Un fatto importante da tenere presente è che la presenza della cassa influenza la sensibilità solo nella gamma di frequenza bassa, (mediamente fino a 300 Hz, dipende dal diametro del cono), mentre oltre questa frequenza, (che, ripeto, dipende in realtà dal diametro del cono) la sensibilità non è influenzata dalla presenza della cassa.
In ogni caso trattandosi di altoparlanti, quindi di trasduttori
destinati a produrre suono, il parametro più significativo
è certamente quello della sensibilità, in funzione della
frequenza. Facciamo un esempio concreto, basato su due altoparlanti reali, per chiarire meglio cosa significano queste informazioni e come utilizzarle al meglio. Prendiamo due esempi dal catalogo Ciare 2010.2011: il PW320, un altoparlante presente in catalogo da qualche anno, ed il PW321, una new entry.
Ecco le specifiche funzionali: Il simbolo accanto alle curve ci dice che entrambi sono misurati su Pannello IEC: questo rende il confronto quasi immediato. I due altoparlanti dichiarano una sensibilità di 98-99 dB entrambi, ma le due curve di sensibilità sono molto diverse.
Per comodità di analisi ho riportato le curve di
sensibilità sulla stessa scala (disegnate a mano su carta
logaritmica, come si usava quando io ero giovane):
In rosso il PW321, in nero il PW320. La sensibilità massima è la stessa per entrambi, ed è raggiunta attorno ai 2200 Hz, ma il comportamento a bassa frequenza chiarisce la destinazione d'uso. È importante notare che la curva del PW321 sta mediamente più in alto, ed a basse frequenze la sensibilità è circa 10 dB maggiore, e quindi la superficie racchiusa dalle due curve è molto diversa: infatti il PW321 ha una efficienza = 3,88%, mentre il PW320 ha un più ridotto 2,25%.
Per concludere, anche l'escursione massima chiarisce la destinazione:
per il PW321 Xmax = 3,5 mm, mentre per il PW320 Xmax = 1,25 mm.
Concludo con alcune note sulla potenza degli altoparlanti, importanti per capire come interpretare i numeri che compaiono sui cataloghi (e quindi non distruggere un prezioso componente per una errata interpretazione di un numero allettante). Innanzi tutto è importante capire che cosa significa il numero in W della potenza di un altoparlante. Un altoparlante è un trasduttore fatto per tradurre in suono un segnale elettrico derivante da una sorgente musicale: gli altoparlanti non sono progettati per riprodurre segnali sinusoidali continui (cioè segnali composti da una sola frequenza pura). Quindi la potenza di un altoparlante viene dichiarata in funzione di un segnale simile al segnale musicale. È ovviamente impossibile definire in numeri un segnale musicale reale qualsiasi, ma in linea di massima un segnale musicale “normale”, cioè il segnale complessivo che deriva da un evento musicale come un concerto, è un segnale composto da strumenti molto diversi fra loro, sia come gamma di frequenza emessa sia come intensità di suono. Il segnale musicale più completo è quello prodotto da una grande orchestra, che comprenda tutti gli strumenti, dalla grancassa al triangolo passando per timpani, contrabbassi, controfagotti, violoncelli, tromboni, trombe, violini. Dato che una misura ha senso, cioè comunica informazioni utili, solo se è chiaro in quali condizioni è stata eseguita, si deve definire un “surrogato” di segnale musicale standard, che sia ragionevolmente assimilabile ad un segnale musicale medio, quale quello della grande orchestra, ma che sia definibile matematicamente in modo univoco ed inequivocabile.
Anche qui la documentazione tecnica Ciare ci viene in aiuto (*): dalla
documentazione del 12.75 W1, un woofer della serie Pro-Audio (prodotto
destinato all'industria) ricaviamo (**) L'informazione fondamentale è che il segnale è un rumore rosa, filtrato. Il rumore rosa è un segnale composto da tutte le frequenze (per questo è definito rumore e non suono) ed il livello elettrico delle componenti di frequenza diversa decresce di 3dB/ottava. La caratteristica fondamentale del rumore rosa è che l'energia è costante per ogni ottava, cioè il segnale contiene nella gamma fra 100 e 200 Hz la stessa energia totale che contiene ad esempio nella gamma fra 1000 e 2000 Hz. Il rumore rosa è una ragionevole approssimazione del segnale musicale dell'orchestra, ed è perfettamente definito: ogni generatore di segnali permette di generare onde sinusoidali, quadre, triangolari, rumore rosa e rumore bianco. La seconda informazione importante è che il segnale è filtrato a 20 Hz e a 2000 Hz: il limite inferiore significa in pratica che l'altoparlante non deve essere alimentato in corrente continua, il limite superiore significa che è un woofer, quindi non deve essere alimentato da alte frequenze con potenze elevate. La specifica dei 49 V ci dice la stessa cosa che ci diceva la specifica della misura della sensibilità: 49 V sono esattamente 300 W su un carico resistivo di 8 ohm; l'altoparlante non è un carico resistivo quindi l'unico dato inequivocabile è la tensione, non la potenza. Per capire a cosa servono queste informazioni bisogna capire come è fatta una bobina mobile.
Qui vediamo la bobina mobile da 100 mm di diametro di un subwoofer da 18”, a doppia bobina, certificato per 600 + 600 W: Come abbiamo visto al punto dell'efficienza, circa 570 W di questi 600 se ne vanno in calore. In pratica un tostapane domestico, le cui resistenze diventano rosse e raggiungono temperature di centinaia di gradi. Com'è che questo filo (che ha una sezione di soli 0,14 mm2) non fonde? E comunque, a parte la fusione del rame, il problema vero è costituito dalla vernice isolante e dagli adesivi che tengono assieme la bobina mobile, che non resisterebbero ad una temperature superiore a circa 160° - 180°. La bobina mobile non brucia nell'uso normale in quanto la bobina mobile è in costante movimento, quindi viene raffreddata dall'aria (che trasmette il calore all'ambiente circostante ed alle parti metalliche dell'altoparlante stesso, che quindi lo disperdono a loro volta nell'ambiente: è una delle ragioni per cui i cestelli sono in alluminio e verniciati in nero opaco). Il movimento del cono è il motivo per cui il segnale è filtrato: il woofer deve essere alimentato con frequenze che permettano al cono di essere in costante movimento, quindi non si può alimentare con frequenze che non è in grado di riprodurre. Con una corrente continua il cono sta fermo perché è continua, con un segnale di 5 kHz sta fermo in quanto l'equipaggio mobile ha una massa troppo elevata per muoversi significativamente a quella frequenza. Il fatto che la misura è eseguita con rumore rosa significa che i 300 W sono validi se il segnale è costituito da una miscela uniforme di tutte le frequenze, specificamente quelle in grado di fare muovere il cono. Un segnale monofrequenza a 2000 Hz e 300 W distruggerebbe comunque la bobina mobile. Un segnale monofrequenza a 10 Hz a 300 W per un tempo sufficientemente lungo avrebbe lo stesso risultato. Un amplificatore a stato solido da 200 W in clipping spinto può produrre fino ad un massimo teorico di 200 W di frequenze elevate, sopra la fondamentale del segnale clippato, e quindi sicuramente può distruggere la bobina mobile.
Bastano meno di 100 W di segnale qualsiasi, se il cono è fermo, per distruggere quella bobina mobile.
Le specifiche tecniche ci forniscono numeri, che debbono essere interpretati: i numeri da soli non servono a nulla.
Quando si leggono i fogli tecnici dei componenti le annotazioni, le
premesse, le note a fondo pagina sono come le clausole scritte in
caratteri piccoli nelle polizze assicurative: sono più
importanti del contenuto scritto in chiaro.
I documenti tecnici seri hanno all'inizio oppure alla fine una
spiegazione dettagliata di tutti i termini e tutti i simboli usati nel
corpo della documentazione, e la spiegazione delle modalità di
misura oppure il riferimento agli standard industriali utilizzati.
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