DIFFUSORI
HOME

THRONE

di Paolo Saronni


Introduzione
Questo progetto ha partecipato all'edizione 2000 del concorso CIARE per autocostruttori, e utilizza componenti Focal purtroppo ora fuori catalogo. L'articolo seguente è però molto interessante per quanto riguarda la teoria e la pratica realizzativa della linea di trasmissione. Le formule allegate possono tranquillamente essere applicate ad altri modelli di woofer, sia Focal che di altre marche. Se il vostro prossimo sistema dovrà essere una linea di trasmissione, allora il progetto Throne può darvi un valido riferimento.

Buon lavoro, Filippo

Secondo me, la bellezza e la soddisfazione di potersi costruire i propri diffusori acustici difficilmente puo’ essere paragonata all’avere in casa un impianto da svariati milioni. Poter plasmare il suono del proprio impianto praticamente con le proprie mani, anziche’ cambiando semplicemente un cavo di segnale piuttosto che un cavo di potenza, crea un rapporto tra te ed il diffusore, come se lo stesso fosse una parte di te che sta svolgendo un compito come tu gli hai detto.

Durante la lettura di alcuni libri di Viappiani sui vari tipi di caricamento acustico mi veniva in mente, esagerando sicuramente ma mi piaceva l’idea, il film di Frankenstein. Il medico sceglieva il corpo giusto per la sua creatura, io sceglievo il caricamento per le mie “creature”. E’ una visione un po’ esagerata, lo ammetto, ma considero le mie casse un po’ come dei figli....
Tutto comincio’ in seguito al cambio di casa......
Finche’ si abita con i genitori si devono fare i conti, giustamente, con lo spazio “messo a disposizione dalla mamma” per mettere in pratica la crescente passione.
Giunto pero’ il momento dell’uscita dalla nativa casa ho potuto dare sfogo al sogno che avevo in mente fin dall’inizio: realizzare una linea di trasmissione. Grande potenzialita’ di prestazioni acustiche......ma anche grande ingombro!!!
Con la possibilità datami dalla casa nuova il problema poteva essere risolto. Subito mi metto alla selezione degli altoparlanti che potrebbero fare al caso mio.

Componenti utilizzati:
Il progetto era abbastanza impegnativo, volevo quindi realizzarlo con componenti veramente all’altezza. Questa cosa non sempre piace al portafoglio, e’ vero, ma un po’ alla volta si riesce a fare tutto.....
Dopo attente valutazioni sulle prestazioni ed i costi dati dai componenti sul mercato, la scelta e’ ricaduta su di un trio di altoparlanti FOCAL:

- Tweeter: T-120 KF a cupola rovesciata da 30 mm in Kevlar
- Mid-Range: 5N313 con membrana in NEOFLEX da 136 mm ed ogiva rifasatrice
- Woofer: 10N511T con membrana in NEOFLEX da 260 mm generoso nella dotazione magnetica e nelle possibilita’ di escursione.

Qui le misure dei componenti non filtrati sul mobile definitivo

Il tweeter gia’ lo conoscevo ed apprezzavo, in quanto montato sui primi diffusori costruiti da me e da mio fratello ed attualmente ancora “ufficiali” nella sala di casa dei genitori. Ottimo componente con una frequenza di risonanza di soli 600 Hz ed un gruppo magnetico da ben 1,4 kg.
Il mid-range, visti i parametri e la costruzione, si presentava da solo. Frequenza di risonanza di 56,2 Hz, magnete da 102 mm, bobina “Oxygen Free” avvolta su supporto in Nomex, la risposta in frequenza si estende in maniera molto lineare fino ai 9 KHz.
Dicono che la linea di trasmissione non viene influenzata in maniera significativa dal woofer accoppiato, basta un “pistone” generoso. Certo, fino ad un certo punto posso anche essere d’accordo. Pero’, malgrado questa considerazione mi sono ugualmente orientato sul 10N in quanto si tratta di un altoparlante di altissimo livello: escursione di ben +/- 7,73 mm , magnete da 120 mm (molto pesante...), bobina da 40 mm in filo piatto di rame “Oxygen Free” su supporto in Nomex, frequenza di risonanza di 26,5 Hz, cestello in alluminio di robusta fattura e ottima sensibilita’.

Procedure di Calcolo:
Molto difficile da “tarare” quando realizzata, la linea di trasmissione, contrariamente, si e’ dimostrata relativamente semplice nella fase di calcolo.
E’ il sistema piu’ “puro” e devo dire che anche i suoi calcoli sono ‘puri e semplici’. E’ l’aria e la propagazione del suono in essa a farla da padrone.
La risposta ai transitori di un sistema a linea di trasmissione risulta notevolmente migliore di qualsiasi altro sistema di caricamento. Questo alimentava ancora di piu’ la voglia di dare sfogo al sogno. L’idea di avere un sistema di tale fattura senza troppi vincoli dimensionali andava di pari passo con il desiderio di scelta della frequenza di calcolo della linea: 30Hz.

Passiamo ai calcoli veri e propri.
La lunghezza in quarti d’onda del suono a 30Hz e’ pari a:


dove:
L = lunghezza d’onda in m
C = velocita’ del suono in m/s
F = frequenza di calcolo

Utilizzando della lana naturale a fibre lunghe come materiale fonoassorbente per il riempimento della linea ho potuto sfruttare il vantaggio dato dall’impedenza acustica specifica della lana che, a frequenze superiori ai 100 Hz risulta essere prossima a quella dell’aria. Questo fatto permette alla lana naturale di non influire sull’elasticita’ dell’aria all’interno della linea stessa.
Ulteriore caratteristica di questo tipo di fonoassorbente e’ che, avendo elevate proprieta’ di smorzamento, risultano convenientemente smorzate le risonanze del labirinto alle frequenze piu’ alte, le quali andrebbero ad inficiare le prestazioni sonore del sistema.
Non solo, la lana naturale permette, a frequenze prossime ai 30 Hz di ridurre la velocita’ del suono di circa il 50% rispetto alla velocita’ in aria libera. Questo fatto, molto importante, permette di ridurre la lunghezza reale della linea di trasmissione del 50% circa.
Per il mio sistema ho preferito considerare una riduzione della velocita’ del suono pari al 40% come si puo’ vedere dal grafico allegato.
Il risultato di tale riduzione porta quindi al seguente calcolo della linea:


dove:
Le = lunghezza effettiva della linea in m
L = lunghezza d’onda a 30Hz

A questa lunghezza va aggiunto in piccolo fattore correttivo dato, in poche parole, dal fatto che l’estremita aperta della mia linea di trasmissione risulta essere flangiata pertanto si crea, nelle immediate vicinanze dell’apertura (dal lato esterno) una specie di prosecuzione della lunghezza della linea che porta ad un incremento della stessa pari a:


dove:
l = allungamento fittizio in m
a = raggio del condotto in m

considerando un valore di 0,83 si ottiene:


dove:
Sd = Sezione dell’apertura in m2

La lunghezza totale della linea di trasmissione da “inserire” nel diffusore sara’ pertanto:


dove:
Lt = lunghezza totale della linea in m
Le = lunghezza effettiva in m
l = coefficiente correttivo in m

Non ho definito in precedenza Sd ovverosia, l’area dell’apertura della linea.
Per il calcolo della stessa mi sono attenuto alle letture consiglianti il mantenimento del valore della Sd del woofer (pari in questo caso a 330 cm2) pressoche’ uguale al valore della Sd dell’apertura della linea verso l’esterno (dimensioni dell’apertura circa 12X30 cm).

L’ultimo calcolo riguarda il volume di disaccoppiamento tra il woofer e la linea per evitare la trasmissione reciproca delle varie irregolarita’.
Il dimensionamento della cavita’ da porre tra woofer e linea andrebbe effettuato con lo stesso procedimento che si impiega per il progetto della cavita’ frontale dei sistemi a tromba ovverosia:


dove:
c = velocita’ del suono in m/s
SDP = sezione equivalente woofer
FH = frequenza alla quale si comincia ad avvertire l’effetto del taglio superiore operato dalla cavita’ calcolabile come FH=~c/l=345/1,816=~190Hz
FS = frequenza di risonanza del woofer
QES = fattore di merito elettrico del woofer
VAS = volume equivalente del woofer

Tale calcolo porta all’ottenimento di un volume della camera di disaccoppiamento di soli 7,52 litri!
Ora, la considerazione che ho fatto e’ stata molto semplice:
“Questo woofer in 7,5 litri......forse forse......manco ci sta’!”
”Come faccio a dare al quel bestione di woofer solo 7,5 miseri litri per respirare? Secondo me, sono pochi!”
Sono passato quindi a fare alcune valutazioni provando a caricare l’altoparlante in reflex con alcuni tipi di allineamento. Effettuando un carico in reflex di tipo QB3 nº4 il woofer veniva caricato in 70 litri circa con una frequenza di accordo di 35 Hz.
Facendo alcune prove con “rimasugli di casse”, pezzi di legno vari e misurando il tutto tramite la scheda di misura CLIO ho deciso di dare a quest' altoparlante circa 30 litri con i quali sbizzarrirsi.

Calcoliamo ora la quantita' di lana naturale a fibre lunghe necessaria per il riempimento della linea.
Il volume interno della linea risulta essere pari a:
prima meta’ della linea : essendoci in divisorio interno inclinato l’interno si puo’ dividere in tre trapezi le cui aree, dai ricordi scolastici, risultano calcolabili come:


di conseguenza le tre aree sono pari a:

prima meta’ :

seconda meta’ :

ripiegamento :


Il volume totale della linea:

dove 0,30 m e’ la larghezza interna della linea.

Utilizzando un tipo di lana naturle con densita’ di circa 10 kg/m3 il calcolo del quantitativo da utilizzarsi risulta essere:

Volume interno linea (m3) * densita’ lana (kg/m3) = 0,071205 * 10 = 0,71205 kg di lana naturale


Passiamo ora al calcolo del caricamento del mid-range.
Indicazioni Focal segnalavano come intorno ai 7 litri il volume di carico ottimale per questo componente. Non avendo bisogno di fare caricamenti spinti verso le basse frequenze, essendoci ben altro incaricato a questo dovere, ho verificato quale fosse la frequenza di accordo del sistema ottenuto con i parametri dell’altoparlante, il caricamento in cassa chiusa e 7 litri a disposizione.
Il risultato e’ stato di un accordo a 63 Hz. Perfetto! In cassa chiusa potevo ottenere un andamento molto lineare della risposta in frequenza, l’accordo ben si integrava con l’andamento della linea di trasmissione e del taglio in basso che volevo ottenere.

La costruzione della cassa, vera e propria, e’ stata abbastanza travagliata. Nel senso, i vincoli che il sistema dava e io volevo dargli erano i seguenti:
- l’altezza della cassa doveva essere intorno al metro e quaranta (cm piu’, cm meno). Tale misura consentiva di ottenere una ricostruzione sonora, da seduto, abbastanza fedele senza avere delle “torri” per casa.
- in essa ci andava incastrata, ritorta, schiacciata e chi piu’ ne ha, piu’ ne metta circa 1 metro e 80 cm di linea di trasmissione. La stessa pero’, per mia volonta’, doveva avere meno pieghe possibili. Massimo una!
- la bocca di uscita doveva essere di fianco al woofer, come consigliato dalle letture.
- il sistema doveva avere meno pareti parallele possibili, ma un aspetto esteriore quanto meno normale. Non doveva assomigliare ad un’opera moderna di qualche pazzo artista., anche perche’ sarebbe stato concretamente difficile da realizzare non avendo a disposizione una falegnameria illimitata......

I piccioni con la fava li ho ottenuti con la costruzione della cassa nel modo illustrato.

Qui il disegno del mobile

Risultera’ subito abbastanza anomalo il restringimento della linea nella prima meta’.
E’ stato pensato sfruttando la passione per la Formula 1. Ebbene si’, in questo sistema c’entra pure la Formula 1! A livello di aerodinamica, i progettisti di monoposto ne hanno di conoscenze.
Io le ho sfruttate per quanto riguarda l’EFFETTO VENTURI. Ovverosia quell’effetto che tiene in aria gli aerei oppure tiene schiacciate a terra le monoposto a seconda dell’orientamento che si da’ al profilo lungo il quale l’aria deve scorrere.
Provo brevemente a spiegare come funziona, non me ne voglia il povero sig. Venturi.
Avete presente il profilo di un'ala di aeroplano?
Lo spessore varia da zero ad un massimo dall’inizio dell’ala (fronte vento) fino alla fine in maniera non proporzionale. Ovverosia e volgarmente detto, la prima meta’ dell’ala risulta spessa, la seconda risulta sottile. Questo andamento permette di creare un vuoto nell’aria che percorre il profilo dell’ala nel momento in cui la stessa passa dalla parte spessa a quella sottile in conseguenza dell’espansione che subisce.
Se questo profilo lo si rivolge verso l’alto si tengono su gli aerei, se si rivolge verso il basso si tengono incollate al terreno le monoposto di Formula 1 (e non solo loro...).
Tornando a lasciar riposare in pace il povero sig. Venturi, spiego perche’ ho adottato la sua scoperta nella realizzazione delle mie casse.

Costruendo il caricamento del mid-range con il fondo inclinato in tal modo avevo eliminato la parete di fondo, quindi le sue riflessioni, ed avevo stroncato le riflessioni tra le pareti superiore ed inferiore della camera stessa con conseguente riduzione delle onde stazionarie.
Per la disposizione della linea di trasmissione, sottostante la camera del mid-range, mi trovavo a dover piegare la linea in maniera poco facilitante il deflusso dell’aria.
Ecco allora il piccione che mi viene in mente! Se io inclino il divisorio interno che delimita la prima parte della linea dalla seconda riesco a “caricare” l’aria in maniera da dargli un aiuto durante la percorrenza della piegatura. Ed ecco che spunta l’EFFETTO VENTURI. Essendo l’aria caricata in quel modo otterro’ un’accelerazione ed una tendenza “naturale” dell’aria stessa ad andare verso la zona piu’ grande, che risultava essere l’inizio della seconda meta’ della linea. E via, veloce verso l’uscita!!!
Inoltre, essendo una parete inclinata in mezzo a due pareti parallele ottengo un NON parallelismo anche all’interno della linea stessa.

Il posizionamento del tweeter non creava nessun problema. Finalmente! Almeno un componente......
Sotto al mid-range, ad una distanza considerata nel calcolo del cross-over.

La realizzazione fisica del sistema ha tenuto conto anche che le pareti del mobile sarebbero state esposte ad elevate pressioni acustiche che potevano dar luogo a vibrazioni meccaniche il cui risultato si sarebbe tradotto in rumori e risonanze indesiderate.
Per evitare questo ho utilizzato dell’ MDF (o medite, che dir si voglia) dello spessore di 28 mm.
L’interno e’ quasi totalmente ricoperto da fogli adesivi di bitume (o anti-rombo, in termine automobilistico). Questo materiale presenta una capacita’ altamente smorzante nei confronti delle riflessioni, riverberi ed altre onde spurie che altrimenti sarebbero andate a sporcare il rendimento acustico.
Per la camera del mid-range e’ stata utilizzata, come riempitivo, la stessa lana naturale utilizzata nella linea di trasmissione in quanto avente un comportamento piu’ lineare rispetto alla classica lana di vetro. Oltre naturalmente ai fogli di bitume.
Per la camera del woofer ho applicato, su ogni parete interna della camera di disaccoppiamento, uno strato di materiale spugnoso abbastanza morbido ed uno strato di bitume. Questo per rendere meno omogenea possibile la superfice esposta e quindi creare riflessioni quanto piu’ disordinate possibili.
Sulla parete di fondo in maniera rilevante e qua’ e la’ nelle rimanenti pareti, ho applicato dei pezzi di legno semi-curvi sempre con l’obbiettivo di frastagliare il piu’ possibile le pareti interne.
Il riempimento tramite la lana naturale a fibre lunghe della linea di trasmissione e’ stato effettuato cercando di distendere la lana stessa orientandola il piu’ possibile nella direzione longitudinale della linea stessa.

Qui le fasi costruttive

Costruita la cassa si e’ passati alla fatidica prova d’ascolto.
Prima pero’ di chiudere definitivamente la cassa ho preferito lasciare una parete laterale staccabile, in modo da poter effettuare delle prove modificando la quantita' di lana nella linea di trasmissione.
E’ stata una bella pensata questa, perche’ in realta’ il calcolo della quantità di lana naturale da utilizzarsi si e’ dimostrato fin troppo esagerato. In primo luogo, faceva fatica a starci tutta la lana nella linea di trasmissione e, secondariamente, la resa sonora risultava notevolmente soffocata.
Provando varie densita’ di riempimento, ascoltando con il caro e buon vecchio orecchio il risultato e misurando tramite la scheda CLIO i risultati, sono riuscito ad ottenere un ottimo risultato.
Il quantitativo di lana realmente utilizzato e’ risultato essere pari a circa meta’ rispetto al valore indicato dai calcoli fatti.

Sistemata la parte strutturale del sistema sono passato all’affinamento del cross-over.
I calcoli per il cross-over sono stati eseguiti con i software X-Over 2, in prima battuta e CALSOD le successive versioni.
Le indicazioni sui tagli e gli incroci del cross-over sono:
- Woofer + Linea di trasmissione: passa basso del terzo ordine con frequenza di taglio di circa 130÷150 Hz. Potendo sfruttare le doti “in basso” del mid-range ho scelto di tagliare un po’ di piu’ la linea per “selezionare” in maniera piu’ definita il lavoro che doveva svolgere il woofer e la linea.
- Mid-range: passa banda del terzo ordine in alto e in basso con frequenze di incrocio di circa 160 Hz e 4500 Hz. E’ presente una rete RLC di compensazione dell’impedenza.
- Tweeter: passa alto del terzo ordine con frequenza di taglio di circa 6000÷7000 Hz. E’ un componente non facilissimo da controllare ma, una volta che lo conosci, ti ricambia con una resa sonora veramente fantastica.

Qui la simulazione con CALSOD

Il primo cross-over era stato realizzato sulla base delle misure reali (tramite CLIO) dei parametri degli altoparlanti.
Una volta che gli stessi sono stati montati sulle casse ne, sono state misurate le risposte in tali condizioni rivedendo il cross-over secondo le prestazioni del sistema nelle reali condizioni di funzionamento.
L’occhio vuole la sua parte, e’ vero, ma anche l’orecchio vuole la sua e secondo me, nel caso di diffusori acustici e’ la piu’ importante!
Affinato quindi il cross-over con le misure elettrico-acustiche sono passato all’affinamento dello stesso tramite ascolti “umano-acustici”.
Finiti gli ultimi aggiustamenti la versione definitiva e’ stata montata in un cabinet (formato rack da 430 mm) separato dai diffusori. Tutti i componenti sono di alta qualita’ saldati tra loro con stagno argentato e tutti i componenti poggiano su basette morbide smorzanti le vibrazioni.
Condensatori in polipropilene metallizzato, induttanze e resistenze a bassa tolleranza. Anche i condensatori elettrolitici del passa-basso sono comunque di una serie pregiata.
La “chicca” e’ il condensatore in serie al mid-range da 82mf : e’ in polipropilene ed è grosso piu’ o meno come una lattina!.
Visto il lavoro svolto finora sarebbe stato riduttivo non utilizzare componenti di un certo livello per il cross-over. Il condensatore-lattina e’ stato un ottimo regalo di compleanno!!!

Qui lo schema del crossover

Commenti ai risultati:
Le misure sono state eseguite con la scheda CLIO.

Qui le misure del sistema in monoamplificazione
Qui le misure del sistema in multiamplificazione

I risultati hanno confermato pienamente le risposte simulate in fase di progetto, confermando quindi la bonta’ della costruzione del sistema.
Interessanti sono state le misure in campo vicino della linea di trasmissione per vedere il suo comportamento. Sommando poi la risposta a quella del woofer, sempre misurato in campo vicino, si e’ ottenuto l’andamento del sistema “basso”.
Vedendo la risposta al rumore rosa a terzi d’ottava, credo si possa definire “un comportamento decisamente bello”.

Qui alcuni particolari costruttivi delle Throne in versione definitiva

Alle orecchie l’ardua sentenza……..buon ascolto.

GRAZIE


Paolo Saronni
e-mail: ilpaolino@infinito.it


NOTA IMPORTANTE:
IL SISTEMA E’ ATTUALMENTE TARATO, A LIVELLO DI CROSS-OVER, PER L’ASCOLTO IN BI-AMPLIFICAZIONE (UN AMPLI PER I BASSI ED UNO PER I MEDIO-ALTI).
LA BILANCIATURA TRA I DUE AMPLI VIENE ESEGUITA TRAMITE UN POTENZIOMETRO DI ALTA QUALITA’ A FILM SPESSO CHE, INSERITO SUL SEGNALE NON AMPLIFICATO, ATTENUA LA SEZIONE MEDIO-ALTI.
QUESTO E’ DOVUTO ALLA MIA VOLONTA’ E POSSIBILITA’ DI UTILIZZARE LA BI-AMPLIFICAZIONE E PER NON INSERIRE ULTERIORI COMPONENTI NEL CROSS-OVER PER BILANCIARE LE EMISSIONI, PER L'USO IN MONOAMPLIFICAZIONE SI POTRA' PREVEDERE UNA ATTENUAZIONE DELLE VIE SUPERIORI TRAMITE PARTITORI RESISTIVI.