La risposta in frequenza

di Giuliano Nicoletti

 

“…bearing in mind always that evidence that offends the eye

may or may not indicate the presence of a problem

that is offensive to the ear”

Floyd E. Toole

 

Il grafico della risposta in frequenza di un altoparlante visualizza il livello di pressione sonora rispetto alla frequenza con cui viene riprodotto il segnale inviato ai morsetti del componente; sull'asse delle ascisse sono riportati i valori di frequenza espressi in Hz, su quello delle ordinate il livello di pressione sonora rispetto alla pressione di riferimento di 20 microPascal espresso in deciBel.

 

La risposta in frequenza viene solitamente misurata inviando uno stimolo elettrico all’altoparlante e misurandone l’emissione acustica mediante un microfono connesso ad un hardware di acquisizione, con l’altoparlante posizionato su di un pannello di dimensioni variabili, in un box di riferimento, su una tromba, o – in alcuni casi – in aria libera.

 

Questo grafico rappresenta la prima e più importante caratterizzazione qualitativa e quantitativa del componente sotto analisi, ed è difatti il punto di partenza del progettista alle prese con un nuovo progetto; attraverso la sua analisi è difatti possibile ricavare informazioni estremamente dettagliate a proposito delle prestazioni acustiche, della bontà di progettazione, di eventuali difetti più o meno rilevanti.

Il primo parametro a risultare evidente è probabilmente la banda passante del dispositivo, ovvero l'estensione della risposta nello spettro di frequenze rappresentato. Questo dato è estremamente significativo: la risposta in frequenza è strettamente legata - mediante la trasformata di Fourier - alla risposta all'impulso, che si sviluppa nel dominio del tempo; maggiormente estesa è la prima, più rapida e precisa è la seconda. Un altoparlante capace di estendere ampiamente la propria risposta acustica agli estremi di banda è un dispositivo intrinsecamente dotato di un ottimo comportamento impulsivo, e dunque in grado di riprodurre con maggiore precisione e analiticità il segnale inviato ai morsetti. Avere una banda passante molto estesa (sempre in relazione alla tipologia di altoparlante sotto analisi) è dunque indice generale di buona costituzione, di flessibilità per l'utilizzo - e probabilmente di buon suono; sarà sempre possibile tagliare qualche dB in eccesso, mediante filtri passivi o attivi, ma non sarà mai possibile generare estensione in banda non presente all'origine, se non a fronte di pesanti compromessi per tenuta in potenza e distorsione.

 

Dall'osservazione della curva di risposta si può dedurre inoltre con buona approssimazione il valore di sensibilità dell'altoparlante; attraverso una media dei valori compresi in un determinato intervallo di frequenze - in relazione alla banda passante dichiarata dal costruttore - o più semplicemente rilevando il valore medio nella zona di frequenze subito sopra il ginocchio del passa-alto naturale dell'altoparlante.

 

 

L'interpretazione qualitativa del tracciato riportato sul grafico è invece un compito assai delicato e complesso. La risposta in frequenza di un altoparlante - o di un sistema di altoparlanti - porta in sé alcune evidenti macro-informazioni, all'interno delle quali debbono essere distinte micro-informazioni. Osserviamo il grafico qui accanto, estratto dal preziosissimo lavoro di Floyd Toole, “Sound Reproduction” (Focal Press, 2008, come sempre una lettura consigliatissima).

La curva che si snoda nel grafico è costituita da una sorta di stratificazione informativa, e necessita di alcune chiavi di lettura determinanti; alcune caratterizzazioni possono difatti essere ricercate in fase di progettazione o dipendere dall'interazione del componente con lo specifico pannello di misura su cui è avvitato, altre debbono essere relazionate alla presenza di risonanze acustiche o meccaniche, mentre l’andamento complessivo è funzione dell’equilibrio elettroacustico che viene rappresentato anche mediante i classici parametri di Thiele/Small. Un tracciato esente da alterazioni, picchi o avvallamenti è chiaramente da preferire, ma occorre sempre interpretare ciò che si osserva, porre in relazione le indicazioni grafiche con i fenomeni che le hanno generate, e con l'influenza che avranno poi in fase di ascolto. Le caratterizzazioni della curva raccontano diverse storie sovrapposte, e spetta all'osservatore il compito di saperle discernere ed interpretare, di modo che il grafico rappresenti realmente un valido aiuto, e non porti fuori strada l'osservatore poco esperto. Occorre infine sottolineare che, oltre alla complessità di lettura del grafico, possono sempre essere presenti ulteriori complicazioni, relative sia alla correttezza della misura effettuata che alle condizioni di misura.

Inoltre, la risposta in frequenza ci mostra il suono rilevato in un preciso punto dello spazio, e non visualizza il comportamento dell’altoparlante a differenti angolazioni – il modo in cui viene immessa energia in ambiente. Per avere un quadro esaustivo delle prestazioni acustiche e quindi delle sensazioni soggettive di ascolto sarà quindi assolutamente necessario analizzare il comportamento dell’altoparlante per differenti angolazioni fuori asse, ed eventualmente effettuare una media delle potenza acustica utilizzando alcune riprese in diversi punti dello spazio. Questa lunga premessa potrebbe apparire scoraggiante, ed in parte vuole esserlo: produrre misure acustiche è un'attività delicata e complessa, ed avere a che fare con delle misure non corrette non è soltanto inutile ma è anzi sicuramente dannoso: mettere in relazione un grafico con un suono è affare assai delicato e complesso, e ciò che i nostri occhi comunicano al cervello spesso può influenzare le sensazioni uditive e portare il progettista a compiere delle scelte non del tutto coerenti e funzionali alla ricerca del buon suono.

 

Condizioni di misura

Passiamo rapidamente in visione alcune criticità legate alle condizioni di misura e ad eventuali imprecisioni di ripresa; anzitutto occorre essere a conoscenza delle condizioni di montaggio dell'altoparlante: viene utilizzato un pannello che simula un semispazio? Un pannello di dimensioni standard IEC? Un box specifico? L'altoparlante è misurato in aria libera? Ognuna di queste condizioni produce risultati radicalmente differenti, ed è dunque indispensabile essere a conoscenza - con precisione - delle condizioni di contorno.

 

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Nel grafico qui sopra è visibile la risposta del medesimo altoparlante nelle differenti situazioni appena elencate; la condizione più lineare è quella che risulta dall’aver offerto all’altoparlante un carico acustico costante a tutte le frequenze come nel caso del pannello infinito, mentre la peggiore è quella che si ottiene dal caricamento acustico del piccolo pannello del box. E' da notare che le due alterazioni nei dintorni dei 180 Hz e 320 Hz ottenute nella misura su pannello IEC dipendono in prima istanza dal corto circuito acustico generato dall'emissione posteriore della membrana che raggiunge quella anteriore dopo aver girato attorno al pannello, e comporta interferenze costruttive (generando picchi) e distruttive (creando dei buchi), a seconda della lunghezza d'onda delle frequenze interessate e delle dimensioni del pannello-schermo. Purtroppo non esiste uno standard unico, universalmente applicato da tutti produttori; a volte in uno stesso singolo catalogo vengono utilizzati metodi differenti, a complicare ulteriormente l'interpretazione.

 

Errori di misura

La seconda più diffusa criticità di misura è relativa all'influenza dell'ambiente di misura. Per effettuare riprese corrette ed estese in gamma bassa occorrono locali di grandi dimensioni, ed anche la cosiddetta tecnica di misura semi-anecoica (che utilizza una finestratura temporale dell'impulso per tagliare fuori dalla trasformata le prime riflessioni delle pareti o di altri ostacoli riflettenti) non è in grado di trasformare uno stanzino nella sala anecoica dell'università di Ferrara. Il risultato è che spesso la misura viene alterata, soprattutto in gamma bassa, o si presentano delle ondulazioni del grafico che non rispondono alla realtà, e mascherano il reale comportamento dell'altoparlante. Nella prima zona della risposta in frequenza, sino a quando l'altoparlante si comporta come un pistone ideale, la risposta dovrebbe essere lineare, come un tratto singolo di penna, come la disegneremmo su foglio. Possono essere presenti delle singole alterazioni, dovute a risonanze di varia natura, ma l'andamento complessivo deve essere pulito e lineare. Se il grafico si presenta sporco e alterato, allora certamente la ripresa non è corretta, e dunque non attendibile.

 

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Purtroppo anche la tecnica di ripresa mista che utilizza il "merging", l'unione di una ripresa effettuata in campo vicino (a qualche millimetro dalla membrana, per ridurre al minimo l'effetto delle riflessioni ambientali) con quella effettuata in campo lontano, presente alcune criticità che ne rendono l'utilizzo meno immediato e semplice di quanto possa sembrare. La ripresa in campo vicino non tiene conto difatti delle dimensioni della membrana e del box di carico dell'altoparlante, e ne altera quindi l'andamento in modo abbastanza evidente, caricando l'emissione in gamma bassa. Può essere però utile per visualizzare eventuali risonanze in modo semplice e chiaro, laddove l'ambiente di misura non permette di impostare una finestratura temporale in grado di offrire una sufficiente risoluzione dell'informazione.

 

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Per poter dipingere un quadro sufficientemente chiaro di un altoparlante è inoltre necessario disporre di più misure effettuate ad angolazioni differenti dalla ripresa in asse. L'altoparlante concentra la sua emissione acustica sull'asse principale, similmente a quanto osserviamo nei fari di una automobile, e la sua direttività è strettamente correlata alle dimensioni ed alla forma della membrana. Accade dunque che il comportamento fuori asse mostra un andamento solitamente calante verso le alte frequenze, in relazione alla banda passante ed alle modalità di break-up della membrana. Almeno due misure sono dunque necessarie: quella classica sull'asse principale, ed una seconda a 45° fuori asse. Avere la possibilità di arrivare anche ad angolazioni maggiori, sino a 90° fuori asse ed effettuare delle medie della potenza acustica permette di identificare in modo molto preciso quelli che sono i fenomeni legati alla dispersione della membrana e quelle che invece sono risonanze connesse ad altri fenomeni, acustici o meccanici. I break-up tendono spesso (ma non sempre) ad annullarsi o addirittura a compensarsi nella ripresa fuori asse (risultando dunque molto differenti nella risposta mediata), mentre le risonanze restano evidenti o addirittura si accentuano, evidenziando dei difetti o dei problemi a cui porre necessario rimedio. Torneremo appena possibile su questo argomento.

E’ infine importante sottolineare ancora una volta che l’altoparlante elettrodinamico è un oggetto relativamente semplice, ma tutte le parti che lo compongono interagiscono tra loro in modo complesso e articolato; l’altoparlante non è un dispositivo a compartimenti stagni: modificare un singolo parametro ha sempre un effetto anche su altri, ed è quindi importante riuscire a dipingerne le dinamiche in un quadro complessivo, che mostri anzitutto una situazione di armonia ed equilibrio delle parti.

 

Qualche esempio

Osserviamo nel grafico la curva di un altoparlante da 6.5" (ripresa su 2P steradianti, cioè su un semispazio solido), con evidenziate le zone di frequenze legate a differenti tipologie di comportamento di un tipico altoparlante con membrana a cono.

 

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Roll-on e Roll-off

Ai due estremi di banda si possono identificare le cosiddette zone di Roll-on e Roll-off, laddove l'altoparlante gradualmente inizia e cessa di emettere pressione acustica. La zona di Roll-on può essere identificata con buona precisione dai parametri di T/S, che identificano la frequenza di risonanza del componente, il suo smorzamento elettrico e meccanico, la sua efficienza, l'induttanza della bobina mobile e il delicato rapporto tra flusso magnetico nel traferro, bobina avvolta sul supporto e massa dell'equipaggio mobile. Come già accennato, la zona di Roll-on dovrebbe essere pulita e graduale, come viene mostrato nei più classici programmi di simulazione. Eventuali alterazioni non sono ammesse nei woofer o nei midrange a cono (si tratterebbe di errori di misura), mentre potrebbero indicare delle risonanze nei tweeter a cupola o nei driver a compressione. E' da notare che la zona di roll-off non è direttamente in relazione con fenomeni di break-up del cono; molti altoparlanti cosiddetti a larga banda mostrano i primi fenomeni di break-up ben al di sotto della zona di roll-off, che è invece determinata in prima istanza dalla massa dell’equipaggio mobile e dall'induttanza complessiva della bobina. Se l'equipaggio mobile è sufficientemente leggero, se l'induttanza è bassa e la membrana è sufficientemente rigida per trasmettere vibrazioni in gamma alta eventuali risonanze possono invece essere utilmente sfruttate per emettere pressione acustica in ambiente anche diverse ottave sopra le prime risonanze del cono.

La zona indicata come Piston Mode è probabilmente la più delicata e significativa: cade sempre nella banda passante utile dell'altoparlante, ed ogni alterazione presente in questa zona avrà certamente un'influenza all'ascolto. Anche questa zona di frequenze dovrebbe apparire tracciata col righello; eventuali alterazioni sono da ascrivere ancora una volta alle condizioni di misura, o alla presenza di due tipi fondamentali di problemi: risonanze acustiche, o risonanze meccaniche. Osserviamo le più comuni, salendo dalle frequenze basse verso le alte.

 

Intorno ai 500 Hz appare molto spesso una piccola alterazione: è dovuta alla risonanza acustica del volume d'aria compreso tra dust-cap e polo centrale, che si accorda verso il retro dell'altoparlante tramite il foro di decompressione ricavato nel polo centrale. Tappando il foro centrale la risonanza scompare, ma diminuisce anche il livello di emissione alle frequenza inferiori, a causa dell'effetto di sospensione della cedevolezza dell'aria contenuta sotto il dust-cap, che ora non trova più sfogo.

 

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Si tratta di un problema delicato, che dovrebbe trovare differenti soluzioni a seconda della tipologia dell'altoparlante sotto analisi. Nei componenti professionali o per utilizzo Car-Audio è preferibile mantenere al posto la piccola risonanza e continuare a raffreddare in modo efficiente il complesso magnetico attraverso il foro nel polo centrale. Se si tratta invece di un componente HiFi è preferibile chiudere il polo, e aprire invece dei fori sul supporto della bobina o nella parte del cono posta sotto il dust-cap, di modo da eliminare sia compressione che risonanza. O utilizzare una ogiva centrale, ricordando che la presenza di metallo nelle prossimità del supporto della bobina ne migliora il raffreddamento, ma ha anche un'influenza - da verificare - sia sulla modulazione dell'induttanza che - in alcuni casi - sull'andamento delle linee di campo appena al di fuori del traferro.

 

Salendo di frequenza, verso i 600-1000 Hz incontriamo uno dei difetti più diffusi e di difficile soluzione degli altoparlanti con membrana conica e sospensione classica, che affligge la quasi totalità dei componenti di questo tipo: si tratta delle prime bending waves, risonanze concentriche di surround e cono: l'estremità del cono e la prima parte del surround si flettono ed entrano in risonanza, generando una consistente emissione in controfase. Queste alterazioni sono chiaramente visibili anche nel modulo dell'impedenza dell'altoparlante, che riflette fedelmente tutte le risonanze più importanti che si propagano lungo la membrana. Se l'altoparlante sotto esame non dovrà compiere ampie escursioni di equipaggio mobile è possibile effettuare un giro di collante vinilico nel punto di unione tra cono e sospensione (ed è infatti questo un tipo di trattamento ampiamente diffuso nell'industria di altoparlanti), ma è da mettere in evidenza che per essere efficace il trattamento deve essere abbastanza consistente, e spesso ha come sottoprodotto la limitazione dell'escursione utile e una evidente de-simmetrizzazione della curva di escursione tra ramo positivo e ramo negativo. Nei progetti più evoluti e ottimizzati vengono adottati profili particolari proprio nella giunzione tra cono e sospensione, ed è in alcuni casi possibile arrivare a minimizzare le risonanze concentriche di bordo cono e surround e la loro influenza negativa, entro limiti accettabili. Questo problema è comunque facilmente individuabile osservando modulo dell'impedenza e risposta in frequenza, e si protrae spesso per più di una ottava verso le frequenze più alte, andando a sottrarre preziosa ed utile energia acustica all'emissione complessiva e caratterizzando il suono dell'altoparlante con una nasalità abbastanza sgradevole, a cui è praticamente impossibile porre rimedio attraverso il disegno del filtro crossover.

 

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Di secondaria influenza, ma comunque sempre presenti, sono le riflessioni acustiche causate dalle riflessioni delle razze del cestello verso la parte posteriore del cono, sempre locate nella zona di emissione compresa tra i 1000 ed i 3000 Hz. Alcuni cestelli presentano poi anche delle risonanze strutturali abbastanza evidenti, ma di scarsa influenza nella risposta complessiva, e difficilmente misurabili attraverso un microfono (sono necessari a questo scopo accelerometri e/o sensori laser a triangolazione).

Una ulteriore ed importante caratteristica che si evidenzia nella zona Piston Mode è l'andamento complessivo della risposta in relazione all'induttanza della bobina mobile. Alcuni altoparlanti, in particolar modo subwoofer per applicazioni gravose (come riprodurre 30 Hz in ambiente da box piccoli come scatole da scarpe) necessitano di bobine avvolte su quattro strati - per aumentare il valore del fattore BxL e migliorare il comportamento termico - che però si comportano come un vero proprio filtro passa basso connesso in serie all'altoparlante. Il valore di tale induttanza è a volte talmente altro da piegare la risposta subito dopo la risonanza principale del woofer, conferendo alla risposta in frequenza un andamento che spesso viene confuso per un allineamento sottosmorzato del sistema di caricamento acustico.

 

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Arriviamo a questo punto alla zona di break-up del cono. In effetti quello che accade è una vera e propria rottura della continuità strutturale della membrana, che solitamente ha principio nelle zone più esterne, e produce i classici picchi, seguiti da rapide cancellazioni e nuovi picchi. Poiché la maggior parte delle membrane di qualità sono realizzate con tolleranze tali da garantire una quasi perfetta simmetria rispetto all’asse centrale dell’altoparlante, i modi di vibrazione più comunente diffusi sono quelli che manifestano una simmetria circolare, ovvero i modi concentrici, che presentano circonferenze nodale. Salendo di frequenza queste risonanze si spostano dalle zone periferiche verso l'interno del cono, dove si concentra l'emissione in gamma alta, percorrendo la membrana come vere e proprie onde concentriche. Viceversa i modi di vibrazione con linee nodali radiali sono presenti solo in caso di pronunciate asimmetrie nella costruzione o nelle membrane con accentuata tessitura di fibre. La tipologia e l'entità dei fenomeni di break-up sono legati alla geometria del cono e alle caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati. La cellulosa solitamente mostra picchi di risonanza evidenti ma distribuiti in un arco di frequenze che può estendersi per oltre un'ottava. I materiali plastici mostrano un comportamento solitamente più smorzato, con picchi più bassi e più distesi, mentre materiali rigidi come alcune fibre termoplastiche ed i metalli tendono a spostare verso frequenze più alte le prime risonanze, che però hanno quasi sempre un livello e Q molto alto, anche nelle riprese fuori asse. Le riprese ad angolazioni accentuate sono determinanti per la valutazione di fenomeni di break-up a causa della particolare distribuzione dell'energia in punti diversi del cono. Prendiamo esempio dal  comportamento di questo woofer con membrana in cellulosa: nel grafico qui sotto è visibile la risposta in asse rapportata all'analisi vibrometrica effettuata con lo Scanning Vibrometer della Klippel: sono chiaramente identificabili i picchi nella risposta in relazione alle zone del cono che sono in risonanza.

 

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Nella ripresa fuori asse il rapporto di fase dei punti attivi del cono genera delle cancellazioni proprio in corrispondenza dei picchi presenti in asse, e tende quindi a compensarne la percezione soggettiva in ambiente. La risposta mediata di otto misure effettuate sui 180° di emissione su semispaziomostra che il maggiore problema di discontinuità nella risposta non è rappresentato dai picchi ma dall'avvallamento situato nei dintorni dei 3000 Hz, generato da una consistente percentuale di emissione in controfase del bordo esterno del cono; le risonanze in controfase a queste frequenze non generano pressione utile, ma invece una cancellazione molto evidente su tutto il lobo frontale di emissione, proprio in una zona critica per l'incrocio con un eventuale tweeter, e la singola ripresa in asse non è in grado di descrivere questo fenomeno in modo esaustivo ed utile.

 

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A seguire di questa rapida analisi complessiva dei fenomeni nascosti tra le righe della misura più bistrattata dall'industria audio, andremo ad analizzare nelle prossime puntate alcuni esempi specifici relativi ad altoparlanti presenti sul mercato, focalizzando la nostra analisi di volta in volta sulle più interessanti tecniche di misura alternative, e su differenti tipologie di componenti, sempre mantenendo un occhio sulla teoria di analisi e l'altro sulle applicazioni pratiche.

I miei ringraziamenti vanno ad Elettromedia, nei cui laboratori R&D sono svolte tutte le misure presenti in questo articolo.

 

 

Per approfondire:

 

- Sound Reproduction, Floyd E. Toole, Focal Press, 2008

- La progettazione dei diffusori acustici, Vance Dickason Edizioni Demidoff s.a.s.

- Measurement and Visualization of Loudspeaker Cone Vibration, Wolfgang Klippel and Joachim Schlechter, Faculty of Computer Science, University of Technology, Dresden, Germany. www.klippel.de

 

 

 

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