Speaker fai-da-te? (prima parte)

Progettazione e costruzione di un'onesta cassa Hi-Fi

di Fernando Carello
Articolista Senior, BETA

Introduzione

  Arriva prima o poi la febbre dell'altoparlante: che siate amanti dei videogiochi alla Quake, fanatici del DVD, bisognosi di Surround o MP3-dipendenti, arriva il momento in cui la resa acustica del vostro sistema non vi soddisfa più, che si tratti dei piccoli altoparlanti integrati nel monitor o delle casse di plastica "da 300 Watt" che avete comprato pensando "incredibile, sono più potenti di quelle dello stereo di casa e guarda come sono piccole e quanto costano poco".
  In effetti, i principali responsabili della resa acustica di un sistema sono proprio i diffusori: e non è un lavoro facile, tradurre in sensazioni sonore (e quindi onde elastiche propagantesi nell'aria) le variazioni della tensione ai capi di una coppia di fili ...

  Vi risparmio il tipico "pippone" sul come e perché dell'acustica, e vengo al sodo: vista la difficoltà del compito affidato ai diffusori, appare chiaro come debba necessariamente trattarsi di componenti piuttosto critici: ed inevitabilmente costosi, se si cerca un minimo di qualità.
  Chiaro quindi che le famose casse di plastica "da 300 Watt" costate 70'000 lire (e integrano pure l'amplificatore !!!) siano più adatte a riprodurre il rumore dello sparo del Chaingun di Quake2, che a dar voce al vostro CD preferito.
  Come fare ? Una coppia di casse di accettabile qualità costa decisamente tanto (svariate centinaia di migliaia di lire), senza contare la difficoltà di trovarle proprio come piacciono a noi: c'è chi preferisce i bassi "asciutti" e chi quelli "morbidi", chi non vive senza almeno 120 decibel di pressione sonora e chi cerca casse piccole al limite dell'invisibile, altrimenti la moglie lo caccia di casa ...
  E poi, sappiamo bene come il (folto) pubblico che segue i miei vaneggiamenti su BETA sia principalmente composto da smanettoni incalliti, disposti a vagare per settimane alla ricerca di quel dissipatore 1 cm più alto, di quell'alimentatore da 30 Watt in più (sennò non parte il quarto hard disk!!): sarebbe quasi offensivo proporre a questi "patiti dell'officina" di acquistare diffusori già pronti e marchiati: molto meglio progettarseli e costruirseli da soli !!

  ... beh, vi siete ripresi dallo svenimento ? State ancora leggendo ? Allora siete già contagiati, ormai è troppo tardi per tornare indietro ...
  Non serve poi moltissimo (!!): una certa pratica di lavori in legno (o, meglio ancora, un amico con tale insana passione, che finora abbiamo guardato con orrore e un po' di compassione), una minima destrezza con la matematica e con il saldatore, un buon programma di simulazione ... e naturalmente la materia prima: gli altoparlanti, il materiale per costruire le casse, isolante acustico, un po' di componentistica spicciola (condensatori, cavi audio, morsetti, connettori, etc.) ... ma andiamo con ordine.

Diffusori: cosa sono

  Il concetto su cui si basa un diffusore è abbastanza semplice: uno o più trasduttori (altoparlanti) si occupano di trasformare le variazioni del segnale elettrico uscente dall'amplificatore in vibrazioni dell'aria; in questo compito sono coadiuvati da un mobile, appunto la cassa.
  I trasduttori sono formati da una sezione elettromagnetica, composta in genere da una bobina molto leggera in cui scorre il segnale elettrico (campo mobile) più un magnete permanente che genera un campo statico, e da una sezione meccanica, la membrana cui la bobina è collegata (a sua volta, la membrana è vincolata allo chassis mediante guarnizioni elastiche chiamate sospensioni): le variazioni del segnale elettrico si traducono così in spostamenti assiali della bobina, e quindi della membrana che fa perciò vibrare l'aria.
  Affinché queste vibrazioni siano avvertibili dall'orecchio umano (e quindi siano effettivamente onde acustiche), la loro frequenza deve essere compresa tra 20 e 20000 Hertz (da 20 a 20000 oscillazioni al secondo).
  All'atto pratico, gli altoparlanti possono riuscire a riprodurre più o meno correttamente l'intera banda acustica, oppure possono essere specializzati nella porzione bassa (li chiameremo "woofer"), intermedia ("midrange") o alta ("tweeter") dello spettro: chiaramente, in questo caso serviranno più trasduttori insieme per costruire un diffusore, avendo però (almeno teoricamente) una riproduzione sonora più accurata.
  Il mobile, dal canto suo, può rivestire più funzioni: oltre a contenere fisicamente gli altoparlanti (mica vorrete appoggiarli per terra ?), deve impedire che l'onda sonora generata dalla parte posteriore della membrana (quella ... non orientata verso di noi !), che ovviamente ha fase opposta rispetto a quella "giusta", interferisca con la riproduzione sonora portando deleteri effetti quali la cancellazione d'onda.
  O addirittura, il mobile potrebbe fare in modo che l'onda "posteriore" venga in qualche modo "raddrizzata" e sfruttata a nostro vantaggio ...
  Naturalmente esistono molti tipi di altoparlanti e molti tipi di mobili, portando ad una quantità pressoché infinita di combinazioni possibili: come scegliere quella giusta ?
  Riuscite ad immaginare quali e quante "guerre sante" siano esistite (e tuttora perdurino) tra gli appassionati su questo tema ?

  Sgomberiamo allora il campo dai dubbi: la "cassa giusta" non esiste.

  Ciascun diffusore (altoparlanti + mobile + eventuali filtri) ha i suoi pregi e i suoi difetti, e ciò non dipende solo dalla qualità con cui viene realizzato: ciascuna architettura ha inevitabilmente vantaggi e svantaggi, in quanto i parametri su cui si gioca quando si progetta un diffusore sono come una coperta troppo corta, per cui migliorando un aspetto se ne peggiora un altro.
  La cassa giusta è quella che ci piace: quella che incontra il nostro gusto sonoro, che riproduce la musica che ci piace nel modo che ci piace, che si adatta alle nostre necessità (economiche, di spazio, di potenza, di arredamento).
  Tenendo presente le premesse dell'articolo restringiamo il campo, limitandoci a parlare dei mobili a "cassa chiusa" e a "cassa bass-reflex" a forma parallelepipeda di proporzioni (quasi) auree, in combinazione con altoparlanti a larga banda oppure a due vie (2 tipi di trasduttori: il "woofer" e il "tweeter"), con filtri di tipo passivo; per semplicità lasceremo da parte i sistemi con subwoofer separato, concentrandoci sulla classica coppia di casse.
  Privilegeremo l'economia e la semplicità costruttiva.

  Bene: la prima scelta da fare riguarda, nel nostro caso, le dimensioni della cassa: quanto spazio possiamo dedicare ai nostri diffusori ?
  Per dare un'idea (vedremo poi le formule), una cassa con volume interno di 15 litri avrà dimensioni esterne di massima pari a 43 cm (altezza) x 30 cm (larghezza) x 19 cm (profondità).
  Appare intuitivo che una cassa più grande avrà dei vantaggi (specie per le frequenze basse): tuttavia non ha molto senso costruire casse molto grandi se poi non è possibile posizionarle a dovere: tenete presente che il corretto posizionamento dei diffusori è importantissimo per una buona resa acustica.
  Idealmente, infatti, i diffusori andrebbero posizionati con il centro sonoro all'altezza delle nostre orecchie, ed in modo tale che le due casse e la nostra testa formino un triangolo equilatero.
  Credo che questo vi abbia portato a ridimensionare mentalmente le casse a cui stavate pensando ... in effetti, per un tipico utilizzo flessibile domestico (impianto TV, PC, sistema HiFi compatto, diffusori addizionali per il surround dell'home theatre, etc.) difficilmente si potranno adottare casse di grandi dimensioni.
  Ci concentreremo allora su casse di piccole e medie dimensioni.

  E ora la seconda domanda: quanto vogliamo spendere ?
  Se state pensando a casse per il vostro PC, tenete presente che, se non lo avete già (ma sì, utilizziamolo meglio, l'ampli dello stereo !), dovrete considerare anche l'acquisto di un amplificatore: infatti la maggior parte delle schede audio ha un amplificatore integrato davvero minimale (dai 2 ai 6 Watt RMS), o non ce l'ha affatto ...
  Comunque, se vogliamo spendere davvero pochissimo, c'è una possibilità interessante: utilizzare altoparlanti per auto !

Altoparlanti

  Molti costruttori, infatti, hanno in catalogo altoparlanti nati per essere montati nelle automobili: uniscono una grande compattezza a doti di robustezza non indifferenti, inoltre se ne possono trovare di davvero economici senza scadere eccessivamente di qualità; conviene orientarsi su sistemi a larga banda con doppio cono (generalmente più economici) o a due vie coassiali (il filtro passivo è già integrato negli altoparlanti); tra le varie marche, vale la pena ricordare Pioneer (www.pioneerelectronics.com) per il catalogo davvero ampio e il buon rapporto qualità/prezzo.
  Dimensioni da considerare, tra i 10 e i 16 cm, con potenze tra i 15 e i 60 Watt RMS (le potenze di picco spesso dichiarate sono di gran lunga superiori, ma sono numeri con poco senso: l'unica unità di misura affidabile è la potenza RMS, ovvero Root Mean Square).
  Si può anche pensare di acquistarli usati: il mercato del car stereo è talmente ampio, affollato e dinamico che si possono fare buoni affari, a patto di controllare (ed ascoltare!) attentamente cosa si acquista; non è difficile acquistare una coppia di altoparlanti di buona qualità a cifre tra le 50000 e le 100000 lire.
  Il principale problema che si incontra con gli altoparlanti da auto è la mancanza di documentazione: in genere viene approssimativamente indicata la potenza RMS, la gamma di frequenza riproducibile e l'efficienza acustica in dB/W/m, il che però è davvero troppo poco per la corretta progettazione della cassa (sono infatti necessari, come vedremo, i cosiddetti "parametri di Thiele-Small" dell'altoparlante).
  Spesso, inoltre, le caratterisiche di questi altoparlanti sono tali da essere poco compatibili con l'architettura bass-reflex, indirizzandoci verso un sistema a cassa chiusa; ma con un budget limitato permettono davvero risultati interessanti.
  Potendo spendere di più, entrano in gioco i numerosissimi costruttori di altoparlanti per Hi-Fi e per uso professionale: un po' di orgoglio nazionale nel citare l'ottimo rapporto qualità/prezzo di CIARE (www.ciare.it, impagabile la presenza sul loro sito Internet delle pagine del catalogo con tutti i parametri degli altoparlanti !), la meritata fama di RCF, gli interessanti prodotti CORAL tra i 10 e i 16 cm e molti altri costruttori nostrani che tra l'altro hanno il vantaggio della buona disponibilità di documentazione tecnica e della facile reperibilità dei propri prodotti.

  Come scegliere ?

  Come regola generale, vale la pena spendere il più possibile per l'altoparlante; se il budget è limitato, meglio un altoparlante a larga banda doppio cono che una coppia woofer/tweeter: finiremmo con l'acquistare componenti di scarsa qualità.
  Teniamo poi presente che un altoparlante più grande avrà in genere una migliore risposta sui bassi e spesso una migliore efficienza acustica, ma necessiterà anche di una cassa più grande.
  Una volta definita la fascia di prezzo, se ci siamo orientati verso un sistema a larga banda (altoparlante unico, in genere a coppio cono, 4 o 8 Ohm) occorrerà verificare che il suo comportamento in frequenza sia soddisfacente: il grafico fornito dal costruttore riporta in genere l'intera gamma udibile (20-20000 Hz); la curva deve essere il più possibile regolare, senza evidenti picchi.

Figura 1: Esempio di grafico della risposta in frequenza di un altoparlante

  A questo proposito è necessario tener presente la scala adottata sull'asse verticale (che riporta la pressione sonora in dB): una scala molto "densa" può trarre in inganno ...
  Idealmente, l'altoparlante dovrebbe avere una curva con oscillazioni contenute entro i +/- 3 dB all'interno di una gamma tra i 50-80 e i 13-15000 Hz, con un valore medio superiore ai 90 dB.
  Analogamente, se preferiamo un sistema a due vie (con woofer e tweeter separati, entrambi da 8 Ohm), generalmente più costoso, dovremo studiare la curva di risposta di ciascun componente all'interno della gamma di frequenze che gli compete: tipicamente, le dimensioni considerate per le nostre casse portano ad utilizzare woofer piccoli, tra i 12 e i 16 cm nominali (il diametro effettivo del cono è generalmente inferiore del 15-25%): tra questi componenti ce ne sono diversi che possono arrivare anche a 5000 Hz con un buon comportamento (curva abbastanza piatta), pertanto il tweeter dovrà ben comportarsi dai 4-5000 Hz in su, o comunque le due curve dovranno essere ben "compatibili".
  Inoltre, i livelli medi di pressione sonora dovranno essere il più vicini possibile per woofer e tweeter (possibilmente superiori ai 90 dB).
  Per essere più precisi nella scelta abbiamo bisogno dei parametri di Thiele-Small dell'altoparlante, ma soprattutto dobbiamo avere bene in mente che cassa vogliamo realizzare.

  E quindi dobbiamo parlare delle due architetture considerate, bass-reflex e cassa chiusa.

Bass-reflex Vs. cassa chiusa

  La cassa chiusa nasce con l'esigenza di evitare che l'onda posteriore dell'altoparlante disturbi quella anteriore, attenuandola: quindi si inserisce, a tenuta stagna, l'altoparlante sul pannello anteriore di un mobile sigillato; l'onda posteriore non può uscire dal mobile e il mondo è salvo !

  Figura 2: Schema di un diffusore a cassa chiusa

  Sembra facile ...
  Il fatto è che durante il funzionamento l'aria contenuta nella cassa è soggetta alla pressione generata dal movimento del cono: essendo elastica, l'aria tenderà ad opporsi ai movimenti del cono in misura tanto maggiore quanto minore è il volume interno della cassa.
  Questa resistenza sarà più evidente alle basse frequenze, dove è maggiore l'escursione del cono (maggiore lunghezza d'onda), portando di fatto ad un'attenuazione della pressione sonora.
  Per rendere minima questa attenuazione occorrerebbe costruire una cassa molto grande, il che però comporta alcuni svantaggi (al di là di evidenti problemi di ingombro): tipicamente, i bassi risultano più "secchi", inoltre il cono non più frenato dall'elasticità può arrivare a "fondo corsa" se gli viene applicato un segnale molto potente, con il rischio di danneggiarsi (occorre quindi tenersi opportuni margini di sicurezza sulla potenza RMS degli altoparlanti rispetto a quella dell'amplificatore).
  In effetti, alcuni altoparlanti funzionano in "sospensione pneumatica": le sospensioni sono particolarmente cedevoli, e fatte per lavorare sfruttando l'effetto elastico dell'aria.
  Questi altoparlanti sono generalmente inadatti a lavorare in una cassa bass-reflex, e necessitano di volumi ben definiti (e spesso indicati dal costruttore) per le casse chiuse.

  Passando all'altra architettura considerata, la cassa bass-reflex è caratterizzata dalla presenza, generalmente sul pannello frontale, di un'apertura rotonda o rettangolare: spesso questa apertura si prolunga all'interno della cassa in un condotto.

  Figura 3: Schema di un diffusore bass-reflex

  L'apertura/condotto ha lo scopo di rimettere in fase l'onda posteriore dell'altoparlante con quella anteriore, ottenendo una somma di pressione acustica che può portare ad un sensibile rinforzo della risposta nella gamma bassa di frequenze.
  Questo giochino però funziona bene solo in una gamma piuttosto ristretta di frequenze, attorno alla cosiddetta frequenza di accordo: al di sotto di essa il sistema perde rapidamente efficienza, comportandosi da passa-alto in modo molto più evidente rispetto ad una cassa chiusa (pendenza di -24 dB/ottava anziché -12); inoltre, al di sotto della frequenza di accordo il woofer non ha praticamente più freno elastico, il che può portare a danneggiamenti (consigliando l'uso di un filtro subsonico se la frequenza di accordo è maggiore di 50-60 Hz).
  Appare quindi fondamentale la corretta progettazione (e realizzazione !) del sistema, onde "centrare" bene la frequenza di accordo; occorrerà inoltre dare un certo volume alla cassa per poter compensare parzialmente la scarsa risposta alle frequenze al di sotto di quella di accordo ed evitare la nascita di sgradevoli "picchi" a frequenze medio basse (tra i 100 e i 200 Hz).
  Alla fine dei conti, se vogliamo una buona "forza" sui bassi e siamo costretti ad utilizzare una cassa di piccole dimensioni, dovremo rinunciare a riprodurre le frequenze molto basse, applicare un filtro subsonico (molti amplificatori ne sono provvisti; in alternativa si può lavorare con un equalizzatore, attenuando al massimo le frequenze tra i 20 e i 40 Hz), e scegliere un disegno bass-reflex, cercando un altoparlante adatto allo scopo e curando al massimo progetto e realizzazione.
  Se invece riteniamo importante una risposta che si estende fino a frequenze molto basse, pur perdendo pressione sonora (da compensare eventualmente "rinforzando" con un equalizzatore da almeno 12 dB/ottava), ci orienteremo verso un sistema a cassa chiusa, scegliendo di conseguenza l'altoparlante e rassegnandoci ad una cassa di dimensioni leggermente maggiori; per contro, piccoli errori di dimensionamento e qualche carenza di tenuta d'aria saranno ben tollerati.

  Avete deciso ?

  Bene, nel prossimo articolo vedremo quale altoparlante prendere ...

BIBLIOGRAFIA E RIFERIMENTI

• Paolo Viappiani: "Teoria e pratica dei sistemi di altoparlanti: il manuale per l'autocostruttore" voll. 1,2,3 - Gruppo Editoriale Suono

• Acoustic -N- Electronic's Enclosure Design page

• The Speaker Building page

Le illustrazioni di questo articolo sono state tratte dal catalogo CIARE (Fig. 1) e da "Acoustic -N- Electronic's Enclosure Design page" (Figg. 2 e 3).

Fernando Carello è co-fondatore di BETA; consulente informatico, è raggiungibile su Internet tramite la redazione oppure agli indirizzi fcarello@nice.net, fcarello@srd.it, fcarello@beta.it.

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