AUTOCOSTRUZIONE TEORIA DEL CARICO REFLEX R.J. DI BELLINO ALBERTO PREMESSA.

Transcript

1 AUTOCOSTRUZIONE TEORIA DEL CARICO REFLEX R.J. DI BELLINO ALBERTO PREMESSA. Nessuna tipologia di carico acustico è intrinsecamente l una superiore all altra. Ognuna di queste possiede salienti caratteristiche di emissione e relativi pregi e difetti. La diffusione a livello commerciale di diffusori acustici caratterizzati da questo o quell altro sistema acustico è un fatto prettamente economico, quasi mai tecnico. Nei confronti del carico RJ però è successo un fatto diverso. Mancando la teoria fondamentale per la sua realizzazione ed essendo esso arrivato nello stesso periodo in cui il reflex a condotto prendeva piede a livello commerciale, esso è stato accantonato velocemente e non più preso in considerazione per diversi anni. Vani tentativi sono stati fatti in seguito per poter sfruttare questo sistema a livello commerciale, poiché, come detto, mancava la teoria e la metodologia per la sua corretta interpretazione e realizzazione. Peccato, perché il carico reflex R.J. possiede caratteristiche globali molto valide e in grado di reggere il confronto con i sistemi reflex a condotto o radiatore passivo, confermandosi una alternativa di sicuro valore tecnico e sonoro. IL SISTEMA R.J. : L ANALISI PASSO - PASSO Il carico R.J. chiamato anche baffle compensato, prende il nome dalle iniziali dei cognomi dei suoi ideatori, Frank Robbins e William Joseph. In sostanza, come si può vedere dalla Fig.1, si tratta di sistema acustico composto da un pannello sonoro frontale caricato da un risonatore di Helmholtz posto alle sue spalle. Il principio di funzionamento è il seguente : quando le dimensioni fisiche del pannello non sono più in grado di impedire l'insorgere del cortocircuito acustico interviene l'effetto del risonatore, in grado di assorbire più o meno efficacemente una certa gamma di frequenze emesse posteriormente dal trasduttore e in grado di re-irradiare in ambiente le frequenze più gravi che esso non è in grado di assorbire. Tutti i risonatori di Helmholtz hanno la proprietà di assorbire energia sonora in un certo range di frequenze. Il centro di questo range è posto alla sua frequenza di risonanza e determinato dal proprio Q o fattore di merito. Più è elevato il Q, maggiore sarà l'efficacia dell'assorbimento sonoro ma minore sarà la gamma di frequenze in cui esso è utilmente efficace, viceversa risonatori a

2 basso Q avranno un intervento meno deciso ma più esteso in frequenza ( Fig. 2 ) FIGURA 1 : componenti costitutive di un generico sistema R.J. In gamma bassa, quando il risonatore non è più in grado di assorbire le frequenze emesse posteriormente dal driver, il sistema R.J. è assimilabile a un bass reflex a condotto, con quest ultimo su cui si affaccia il driver che re-immette in ambiente energia acustica la quale contribuisce ad incrementare L SPL del sistema in una specifica e ristretta gamma di frequenze. FIGURA 2 : tipica campana di assorbimento-emissione acustica di un generico risonatore di Helmholtz. Andiamo ora a vedere nel dettaglio come è generalmente realizzato un diffusore RJ al fine di capirne meglio le caratteristiche basilari e le scelte costruttive. Prendiamo in considerazione la fig.1, per maggiore semplicità. Troviamo quindi l'altoparlante montato al centro del pannello, generalmente quest'ultimo di piccole dimensioni, adatto a schermare frequenze superiori ai Hz. Il pannello viene montato a sbalzo sul corpo del risonatore e ad una certa distanza da esso, distanza che può andare da pochi mm a qualche centimetro, mentre l'altoparlante può essere montato sia dall'esterno che dall'interno sul pannello, e si trova ad avere in entrambi i casi, visto l'esigua distanza tra pannello e risonatore, il gruppo magnetico e parte del cestello inserita nel condotto del risonatore, mentre la parte più esterna del cestello si trova in aria libera, affacciata sulla parte di aria presente tra pannello e risonatore. Il corpo del risonatore è parzialmente riempito di materiale assorbente, come in un diffusore bass reflex a condotto o a

3 passivo e aumenta in maniera sensibile le capacità di assorbimento del risonatore, nonché contribuisce ad abbassare il Q del sistema. La parte di diffusore a pannello, corrisponde alle caratteristiche dei sistemi dipolari, perciò si avrà una frequenza Fd determinata dalle dimensioni fisiche del pannello, mentre la parte di diffusore a risonatore, avrà una frequenza di risonanza determinata dal suo volume e dalle dimensioni del condotto. L unione di questi due sistemi porta all ottenimento di un sistema che a bassa frequenza manifesta un comportamento assimilabile a un sistema reflex, mentre a frequenze superiori ci si può riferire ad esso come ad un sistema semi-chiuso, visto che l emissione posteriore viene parzialmente neutralizzata sia dal pannello anteriore che dal risonatore posto a valle di esso. Vi è però la piccola fettuccia di aria compresa tra il pannello e il corpo del risonatore la quale permette di irradiare in forma discoidale non solo le frequenze basse provenienti dal collo del risonatore ma direttamente le medie frequenze provenienti dalla faccia posteriore del cono dell altoparlante. E possibile, per semplicità, fare corrispondere la frequenza Fd del pannello alla frequenza di risonanza dell' Helmholtz, cercando di contenere il Q del risonatore per avere il miglior compromesso possibile in termini di ampiezza di gamma di assorbimento ed efficacia di assorbimento. Alcuni ritengono che la forma migliore del risonatore sia quella cubica. Questa considerazione parte dal presupposto che se l'helmholtz funziona con principio della risonanza, la forma cubica è quella che crea la maggior quantità di risonanze interne, quindi più risonanze significa, in questo caso, maggiore assorbimento. In linea di principio, sono d'accordo con questa affermazione ma purtroppo la forma cubica mal si addice alle esigenze di estetica e riduzione degli ingombri dei diffusori per uso domestico e, utilizzando woofer di grandi dimensioni, ci si dovrebbe costruire intorno una specie di enorme lavatrice. Comunque ritengo assolutamente fattibile, anzi consigliabile, la realizzazione di diffusori RJ di rassicurante estetica classica a parallelepipedo. Inoltre si possono vedere in circolazione diffusori RJ in cui il condotto del risonatore è un semplice foro, quindi di lunghezza pari allo spessore del legno che lo compone. Questa caratteristica non deve essere presa assolutamente come la regola, in quanto può essere ideale per l ottenimento delle caratteristiche volute come no. La lunghezza del condotto del risonatore è uno dei parametri che determinano la frequenza di risonanza del risonatore e il suo Q, nonché assieme alla distanza tra il box e il pannello, la frequenza di accordo del sistema proprio come avviene per i diffusori bass reflex a condotto, in cui variando la sezione e la lunghezza del condotto, si varia l'accordo e le caratteristiche sonore del sistema. In fig. 3 possiamo ammirare lo studio da me eseguito del sistema completo, nonché del circuito acustico equivalente. Come è possibile notare, semplicemente variando la distanza tra il box e il risonatore è possibile passare da un sistema chiuso ad uno accordato e finire per ottenere pure un sistema completamente aperto, in cui l efficacia del risonatore posteriore è pressoché nulla.

4 FIGURA 3 Per meglio rendersi conto del differente comportamento del sistema RJ a seconda della distanza tra pannello e box si veda la fig. 4 in cui un woofer con Fc=60Hz, Qts=0,58, Vas=13l, è stato posto su di un pannello di dimensioni 400x240mm e affacciato su di un box da circa 15 litri, condotto diametro 145mm e lunghezza 38mm, riempito per circa metà volume da assorbente acustico da 33Kg al metro cubo. In A si vede l impedenza del sistema con il pannello appoggiato sul box ( RL = 0 ). Come si evince chiaramente il sistema rispecchia un diffusore chiuso, con la frequenza di risonanza Fc posta a 75 Hz circa. In B si nota invece che il singolo picco di impedenza alla risonanza si divide in due, come avviene per un sistema bass reflex. In questo caso il pannello risulta distanziato dal box di 5mm e il condotto reflex è formato dalla somma tra il collo dell Helmholtz ( diametro e altezza del foro sul

5 cabinet ) e dalla fettuccia d aria tra il baffle risonatore e baffle frontale. In C vediamo che la distanza tra pannello e risonatore viene portata a 10mm e l azione di quest ultimo diventa quasi ininfluente; il sistema passa da accordato a box aperto. FIGURA 4 Relativamente al grafico B è interessante notare che alla frequenza di accordo, ovvero il punto di impedenza più basso in mezzo alle due cuspidi, la resistenza si mantiene piuttosto alta rispetto alla Re che caratterizza l altoparlante. Ciò significa che non tutta la sezione dell accordo produce l SPL relativo a causa dell elevata perdita di pressione che si viene a formare per il fatto che parte dell onda posteriore del woofer non viene immessa nel box ma si disperde in ambiente direttamente ( vedere la Uout1 in fig. 3 ). Possiamo quindi affermare che l R.J. si comporta come un sistema reflex a condotto con elevate perdite per fessurazione QL. Da qui si possono fare immediatamente alcune considerazioni. Sono pertanto adatti ad operare in regime di reflex R.J. woofer, midwoofer e altoparlanti a largabanda caratterizzati da una cedevolezza delle sospensioni ( Cms ) piuttosto limitata, indicabile approssimativamente in un valore inferiore a 1 mm/n. Questo perché parte dello smorzamento che mancherebbe al volume non-pneumatico lo si deve ottenere direttamente dal controllo effettuato dalle sospensioni dell altoparlante stesso. Utilizzando invece un altoparlante piuttosto soffice, come e in misura maggiore che nel tradizionale reflex a condotto, si

6 otterrebbe una prestazione sulla gamma bassa carente in smorzamento e tenuta in potenza nei transienti più energetici. Il campo riverberato che si ottiene con un reflex R.J. è superiore sia ad un sistema chiuso che ad un sistema reflex tradizionale, per il fatto che il sistema emette direttamente anche dai quattro lati, oltre che frontalmente. Risulta immediatamente facile capire come questo fatto comporti risultati straordinariamente positivi in termini sonori. Appurato che la tenuta in potenza e lo smorzamento del reflex R.J. risultano leggermente inferiori rispetto ad un sistema reflex a condotto, apparirà chiaro come la forma non chiaramente definita dello stesso condotto non comporti problematiche di soffi d aria, turbolenze o problemi similari che invece affliggono i sistemi dotati di condotto di forma e sezione perfettamente definiti. Il posizionamento e l emissione di fase acustica del sistema altoparlante - condotto è sempre ideale poiché non vi è distanza fisica tra il condotto e l altoparlante stesso Il sistema RJ possiede quindi salienti caratteristiche progettuali ma non era ancora stato oggetto di studi approfonditi come per il sistema bass reflex tradizionale, per cui non essendoci tabelle, formule e precise metodologie di calcolo e dimensionamento disponibili, soprattutto per determinare precisamente la frequenza di accordo Fb del sistema, mi sento di fornire alcune fondamentali regole da tenere in considerazione qualora ci si apprestasse ad un suo dimensionamento e successiva realizzazione pratica. Le informazioni che seguiranno provengono dai resoconti dei numerosi studi che ho personalmente effettuato su questa particolare tipologia di caricamento acustico (A) E conveniente porre la frequenza di risonanza del box inferiore alla frequenza di isolamento del pannello Fd e mantenere il Q del risonatore piuttosto basso utilizzando buone quantità di assorbente acustico all interno del box. A tal punto mi preme di indicare che almeno la metà del box dovrebbe essere riempita di assorbente acustico non pressato, anche per limitare le riflessioni del suono emesso posteriormente dal driver sulla pareti interne del box, le quali causano sempre numerose irregolarità nella risposta in frequenza. In tale maniera si può pienamente sfruttare la capacità di isolamento acustico offerta dal pannello e sommarla a quella del box posteriore, ottenendo un sistema in cui quasi tutta l energia dell emissione posteriore viene correttamente assorbita, mentre la sola gamma bassa viene re-irradiata in ambiente tramite l apertura che si viene a creare tra il condotto e la superficie esterna posteriore del cestello altoparlante. La forma del box, grazie all efficace assorbimento dato dalla presenza dell assorbente potrà essere quella di un qualsiasi sistema reflex tradizionale. (B) Il diametro del condotto dovrebbe essere pari al diametro di incasso del woofer. Questo perché generalmente la distanza tra il box e il risonatore è molto piccola, dell ordine dei mm, per cui se si riducesse eccessivamente la sezione del condotto si potrebbero incontrare seri problemi di alloggiamento del driver.

7 La lunghezza del condotto verrà poi stabilita a seconda della frequenza di risonanza desiderata per il risonatore. Il diametro dell effettivo condotto reflex che si viene a creare tra apertura e driver è sensibilmente minore di quello fisico determinato dall incasso, questo per frequenze di accordo vicine a quella di risonanza del woofer. C) La distanza tra il pannello e il risonatore potrà essere trovata mediante le formule che troverete in questa trattazione oppure anche empiricamente, mediante prove e misurazioni acustiche semplicemente appoggiando il pannello sul box, e quindi partendo da un sistema completamente chiuso e, successivamente, iniziando ad introdurre spessori da 1 2 mm per volta tra pannello e risonatore. Risulta conveniente compiere una dopo l altra sia la misurazione dell impedenza, per verificare l effettiva frequenza di accordo ottenuta che la misurazione della risposta in frequenza del sistema, per verificare la bontà dell accordo ottenuto sul risultato sonoro in bassa frequenza. Un ottimale valore di frequenza di accordo Fb del sistema può essere calcolato preventivamente mediante la seguente formula : (D) Il valore ottimale del volume del box potrà essere calcolato mediante la seguente formula : la quale garantisce ottimali rapporti dimensionali tenendo conto dei parametri salienti in bassa frequenza del driver adottato. Tenete conto che il riempimento del box con assorbente incrementa la volumetria di un % per cui la volumetria netta dovrà essere sensibilmente inferiore a quella calcolata con la formula sopra citata. Ricordatevi sempre che i parametri indicati sopra con il simbolo sono sensibilmente maggiorati per l effetto del carico d aria apportato dal baffle su cui sono ancorati i driver stessi. Un alternativa per accordare efficacemente il sistema sta nell impostare la distanza tra pannello e risonatore L. Scelti quindi Fb Helmholtz (Hz), quindi Vb / Vab box ( metri cubi), Ac o area del condotto risonatore ( metri quadrati ) ( pari al diametro incasso woofer ) e lunghezza condotto Lc ( metri lineari ) ( per ottenere il Vab desiderato relativo alla Fb scelta, viceversa ), si calcola : - La massa d aria acustica nel condotto del risonatore di Helmholtz : - Map = ( Ac x Lc x 1,18 ) / Ac^2; (Kg/m^4) - L area di emissione reflex esterna del sistema

8 - Acp = [ 2 x ( L pannello + H pannello )] x L; (metri quadrati ) - Il volume d aria della fettuccia che si forma tra pannello anteriore e frontale box : - Vdp = ( L pannello x H pannello ) x L; (metri cubi) - La massa d aria acustica che si forma nel condotto virtuale formato dalla fettuccia d aria tra pannello anteriore e frontale del box : - Mapt = [ ( L pannello x H pannello ) x L *1,18 ] x Acp; ( Kg/m^4) - La somma tra la Map Helmholtz e la Mapt pannello : - Map tot = mapt + Map; (Kg/m4) - La cedevolezza acustica dell aria contenuta nel box : - Cab = Vab (m3) / ( non stupitevi se il numero ottenuto sarà assai piccolo)(metri^5/n) - La lunghezza virtuale del condotto rappresentato dalla fettuccia d aria Lcp = Vdp / Acp; (metri ) - La frequenza di accordo del sistema ottenuta : ( Fb in Hz, trasformare Vab in litri, Acp in mm quadrati e Lcp in mm ) Tenete conto che il valore ottenuto potrà non essere quello perfettamente verificabile con la misura per via del fattore di indeterminabilità rappresentato dalla forma e dimensioni del cestello e del magnete del woofer il quale sottrae massa acustica al condotto Map dell Helmholtz. A tal punto il fattore 2,2 presentato nella formula tiene appunto conto del particolare accordo ottenibile. Per finire, mi pare fare cosa gradita a molti, proporre un diffusore con tale carico, diffusore che ho costruito io stesso e simulato e che, a fronte della sua economicità e semplicità di realizzazione, ha fornito ottimi risultati sonori e che potrebbe rappresentare una buona palestra di partenza per apprezzare il suono del sistema R.J.

9 N.B : AUDIOJAM2 è detentore della proprietà intellettuale di questo completo sistema di calcolo e simulazione per la realizzazione di qualsiasi diffusore acustico in carico R.J. Per informazioni su di un eventuale sfruttamento commerciale del suddetto sistema, o per riprodurre il contenuto di queste pagine, prego contattarmi. STUDIO ELETTROACUSTICA AUDIOJAM2 di Bellino Alberto MIRADOLO TERME (PV) ITALY Via dei Platani, 13 P.IVA C.F. BLLLRT72P12I480D TEL. : WEB : MAIL: audiojam@libero.it - audiojam@vodafone.it SKYPE : albertoemariana