Un diffusore non convenzionale (DNC)  di Sergio Canini

(cliccare sulle parole in grassetto per vedere e scaricare gli allegati)

La non convenzionalità di questo diffusore non è fine a sé stessa ma è conseguenza dello scopo di superare i limiti ed i difetti dei diffusori convenzionali. Oltre alle distorsioni tradizionali (d. armonica ecc.), a cui i diffusori contribuiscono nella misura più alta, tra i componenti della catena audio, sono da mettere in conto quelle distorsioni di tipo temporale, e cioè cattiva risposta ai segnali impulsivi, presenza di code sonore dovute a risonanze, alterazione della coerenza (temporale) fra fondamentali ed armoniche nei segnali musicali. A conferma di ciò citerò solo il fatto che la prova dell'onda quadra, che da sola metterebbe in evidenza la maggior parte di queste distorsioni, nei diffusori non viene neppure tentata o proposta, dando per scontato che non siano in grado di superarla. Il diffusore di cui vi presento il progetto e che voi potrete realizzare non ha i difetti citati o li ha in misura ridotta Questo diffusore, oltre che per uso HI-FI, è particolarmente adatto quale monitor per gli studi di registrazione.

 La sua accuratezza nel riprodurre i dettagli e la sua risoluzione lo rende  infinitamente superiore a quelli che un certo conformismo ha portato a considerare i tipi più adatti a questo scopo. L'industria discografica, se adottasse questo diffusore, farebbe un balzo di qualità (verso la vera HiFi) superiore a quello determinato dall'introduzione del digitale. Anche per l'home theatre, in soluzioni di livello massimo  si otterrebbero i massimi risultati  adottando questo diffusore per i  canali anteriori.

                                                                        da 20 a 100Hz

La riproduzione delle frequenze più basse, per l'autocostruttore di diffusori è, il più delle volte, il motivo dominante di questa sua attività e, se egli è attivo da un po' di anni, ha sicuramente sperimentato i vari sistemi che esistono, dal labirinto al doppio reflex (a me manca solo il dipolo, poi me li sono fatti tutti). In questo caso il sistema adottato è il reflex a passivo che la letteratura descrive  equivalente al reflex a condotto  ma  ciò è vero solo relativamente alla risposta in frequenza.
L'andamento della risposta in frequenza ritenuto ottimale, per le frequenze basse, è quello che viene definito maximally flat che, accreditato da una matematicizzazione maniacale da parte di ricercatori che non avevano niente di meglio da fare è diventato un protocollo per i progettisti di diffusori. Questa soluzione produce in realtà in ambiente un risultato tragico per l'eccessivo rinforzo che l'ambiente stesso produce in una ben precisa gamma delle frequenze basse.
Ciò è comprensibile se si considera che l'ascoltatore riceve, oltre al suono diretto, anche i suoni riflessi dalle pareti della stanza. E' noto che ogni riflessione, se giunge all'orecchio in fase con il suono diretto, produce un incremento del livello di pressione sonora di 3db; essendo nel nostro caso 5 le riflessioni principali potremmo avere un incremento di 15db se tutte le riflessioni fossero in fase tra di loro e con il suono diretto. A 20 Hz.,a cui corrisponde una lunghezza d'onda di circa 17 metri, tale condizione non si verificherebbe solo se i suoni riflessi avessero percorso un cammino più lungo, rispetto al suono diretto, di circa 8 metri (pari a mezza lunghezza d'onda). Un po' di calcoli ci fanno capire che, nel nostro ambiente, a 20 Hz tutte le riflessioni principali sarebbero in fase, a 50 (6,8 metri) alcune non lo sarebbero ed a 100 potremmo contare su una sola riflessione utile, mentre le altre si annullerebbero fra di loro. Tirando le somme potremmo concludere che l'incremento di livello operato dalle riflessioni varrebbe 3 db a 100, 9db a 50 e 15 a 25Hz. Dovremmo anche mettere in conto l'incremento dovuto alla mutua radiazione fra i due woofer, dando per scontato che il sistema sia stereo; anche questo incremento varrebbe, alle frequenze più basse, 3db.
Ho sottoposto a verifica questa teoria misurando la risposta in frequenza nel punto di ascolto con entrambi i diffusori in funzione, in dieci diversi ambienti. I diffusori sono naturalmente i nostri, la cui risposta misurata alle basse frequenze è quella mostrata dalla fig. 1, cioè complementare rispetto alla (ipotizzata) curva di rinforzo prodotta dalle riflessioni ambientali. In fig. 1 bis la risposta simulata al computer.
Chi è pratico di misure in ambiente sa che, a causa delle onde stazionarie, è impossibile ottenere risposte in frequenza lineari; in tutti gli ambienti si è comunque apprezzata la presenza delle frequenze più basse, l'assenza del rigonfiamento a 50 Hz (tipico con i diffusori convenzionali e di cui ho parlato sopra) e l'eccezionale smorzamento di tutte le risonanze.
La fig. 2 rappresenta la media delle risposte nei 10 diversi ambienti . Come si può osservare 20 Hz sono riprodotti a - 2,5 db. Non male
Il trasduttore ideale per questa gamma sarebbe il woofer AR 20001; ha una bobina a lunga corsa da 2 pollici ed un cono in polpa di cellulosa morbida per ottenere una bassa produzione di armoniche da cui sono invece affetti i coni rigidi. Purtroppo l'AR non è di facile reperibilità, in sostituzione può essere impiegato il Monacor SPH 210 caratterizzato da bassa risonanza ed alto smorzamento, tutto sommato abbastanza simile al modello ideale..
L'andamento in frequenza descritto sopra è stato ottenuto con l'aiuto di un passivo avente massa di 100 grammi ed un volume netto del cabinet di 27 litri. Le due risonanze del sistema (fl ed fh) cadono a 17 ed a 47 Hz e la frequenza di accordo (fsB) è a 25 Hz.  Il cabinet è completamente riempito di lana di vetro a media densità il che, unito al fatto che il sistema è chiuso assicura la cancellazione della radiazione posteriore del woofer che nei reflex a condotto causa la fastidiosa coda sonora che rende questo sistema inadatto all'uso high end.
Nel bass-reflex classico, per ottenere questo accordo sarebbe stato necessario un condotto lungo circa 1,5 metri, praticamente impossibile da realizzare.

Chi volesse saperne di più legga la pagina "reflex contro reflex".
Richiamo l'attenzione sul fatto che la gamma più bassa è riprodotta dal passivo il quale in pratica fa il lavoro sporco evitando al woofer attivo le grosse escursioni sempre causa di intermodulazione con le frequenze medie.

                                                                    oltre i 100 Hz

Questa gamma è riprodotta sia dal woofer che dal tweeter con una frequenza di transizione fra i due di 1500 Hz ottenuta a mezzo del filtro meccanico che si può vedere nelle foto e nei disegni. Questa soluzione (del filtro meccanico) comporta i seguenti vantaggi (rispetto al crossover tradizionale):
1) non introduce risonanze (il crossover è in effetti un circuito risonante, anche se per pudore i testi sacri non lo dicono - vedi crossoverless -) che causano enfasi indesiderate e code sonore.
2) non introduce ritardo di gruppo nella banda di lavoro del woofer, il che produce perdita di coerenza fra armoniche e fondamentale di un segnale musicale, con grave degrado dello stesso segnale.
3) annulla il break-up del woofer (picco molto stretto nella risposta in frequenza difficilmente rilevabile strumentalmente ma molto bene avvertibile dall'orecchio);
4) minimizza la distorsione di ordine elevato propria del woofer sulla quale invece il crossover (che si trova a monte) non ha azione alcuna; tale distorsione contribuisce per la percentuale più elevata alla distorsione totale di un sistema HI-FI e trattandosi di prodotti a frequenza  elevata, essi si concentrano sull'asse del cono (proprio dove si trova il filtro meccanico - a valle-  che li cattura) e producono quel suono  sgradevole di cui è facile fare esperienza ponendosi vicini e sull'asse di  un altoparlante in funzione.
5) avendo anche funzione di lente acustica, mantiene l'angolo di dispersione del woofer ampio, costante ed indipendente dalla frequenza consentendo un raccordo non "traumatico" con il tweeter, il quale ha,alla frequenza di transizione, la sua dispersione più ampia, mentre il woofer, in assenza del filtro meccanico, avrebbe la sua più stretta ;
6) qualora, come in questo caso, si tratti di un sistema ad alto smorzamento, permette di ottenere il miglior risultato possibile mantenendo stretto l'accoppiamento elettrico woofer - amplificatore, non introducendo alcune elemento resistivo fra i due come farebbe invece una bobina che avesse la stessa funzione elettrica.   

Acuti Una frequenza di transizione di 1500 Hz impone l'uso di un tweeter a bassa frequenza di risonanza. Alcuni fabbricanti risolvono questo problema  usando un tweeter con cupola da 38 mm che però ha una scarsa attitudine a riprodurre frequenze superiori ai 10 KHz. Pertanto questa soluzione non mi piace. La soluzione ideale sarebbe di utilizzare un tweeter con cupola da 25 mm però con bassa Fs, ove per bassa si intende non superiore ai 700 HZ. Poichè tale componente non esiste sul mercato (io non l'ho trovato), ho deciso di costruirmelo. Beninteso non ex novo, che non ne avrei avuto la possibilità, ma ex Monacor DT 101 SK.

Si tratta di un componente che ha il polo centrale forato e camera posteriore (si veda la pagina Tweeter rotto ) e che già esibisce una risonanza di 890 Hz,  tuttavia ancora alta per questa applicazione. La modifica consiste nel togliere la parete posteriore della camera, rendendo pertanto la Fs dipendente solo dalla cedevolezza della sospensione e liberandola dall'effetto prodotto dalla compressione dell'aria nella camera Questa modifica consente di abbassare la risonanza  al valore record di 410 Hz. Si tratta ora di attenuare l'emissione posteriore della cupola per evitare che vada in giro a fare danni. Come mostra la foto sopra si applica posteriormente un tubo  di PVC (incollandolo con abbondante colla epossidica) che poi si provvederà a riempire con spugna poliuretanica. Per evitare la formazioni di onde stazionarie nella camera posteriore così ottenuta, conviene frazionarla  in tre volumi fra di loro comunicanti, a mezzo di dischi di cartone a cui si taglierà uno spicchio, in modo ,da creare una specie di labirinto.  Si approfitterà inoltre per un ulteriore upgrading che consiste nell'eliminare la parte di flangia eccedente,ed arrotondare quella rimanente ; il disegno di fig. 3 è esplicativo.Questo upgrading serve per eliminare la diffrazione del bordo ed avere quindi una risposta più lineare.
Il componente deve essere montato in aria fissandolo con un supporto sagomato ed arretrandolo rispetto al woofer per un corretto allineamento temporale ( fig. 4). In realtà la soluzione è di compromesso, perchè la misura dell'arretramento del tweeter rispetto al woofer, a causa della non sovrapponibilità delle loro curve di fase, assume valori diversi in funzione della frequenza di prova. Si tratta di mediare fra i diversi valori tenendo anche in considerazione la risposta in frequenza. Per fortuna esiste un segnale che permette di semplificare la procedura: si tratta dell'onda quadra. Questo diffusore riesce a riprodurre una buon approssimazione dell'onda quadra il che testimonia della bontà del compromesso trovato.

                                                                      Il woofer passivo

Deve essere del tipo raffigurato nella fig. 3 A cioè privo di centratore e con sospensione in foam. Potreste avere delle difficoltà a trovarlo e dovrete in ogni caso regolarne la massa che deve essere di 100 grammi. Conoscendo la massa originale applicherete sulla membrana, incollandola con colla neoprenica, una massa aggiuntiva costituita per esempio da un disco di cartone o di legno. Non conoscendo la massa originale potete comunque completare il diffusore, ivi compreso il riempimento con lana di vetro; ciò fatto misurerete, attraverso la curva di impedenza, dove cade la prima risonanza  e con delle piccole masse aggiuntive sul passivo la aggiusterete a17 Hz.

Se non trovate il passivo ve lo dovrete costruire incollando su un disco di cartone in più  strati, oppure di legno, avente il diametro di 15,1 cm. e peso 100 grammi una sospensione di foam da 8 pollici (20 cm), si veda ancora  la fig. 3A.
Affinche' con il tempo e per effetto del peso il disco non si inclini in dentro o in fuori, la sospensione dovrebbe essere incollata su un piano mediano rispetto alle due superfici, inoltre il sistema dovrebbe essere abbastanza bilanciato (come le gomme dell'auto) per evitare sblateramenti sulle frequenze più basse.
Questo passivo autocostruito si applica al diffusore incollandolo con colla neoprenica direttamente al legno della cassa. A questo scopo si pone una tavoletta al di sotto del foro nel quale esso deve essere montato e la si fissa con due chiodini, quindi ve lo si appoggia eventualmente interponendo degli spessori affichè lo stesso risulti a filo del pannello e perfettamente posizionato. Quindi si incolla il bordo esterno della sospensione all'orlo del foro e si fa asciugare, dopo di che si toglie la tavoletta e gli spessori.  Il passivo si può montare sia anteriormente che posteriormente al diffusore con una leggera preferenza per la sistemazione posteriore.    

il cabinet Due parole sul cabinet: il suo volume interno è di 27 litri ed il disegno (fig. 4) mostra le quote e come deve essere costruito (fig. 5). Potreste dargli anche una forma diversa da quella indicata, conservando beninteso lo stesso litraggio; evitate comunque la tanto di moda forma a colonnina a causa della ineliminabile risonanza che si genera in funzione dell'altezza. Evitate anche di allargare il pannello frontale che deve inoltre essere spesso 4 cm. affinchè sia possibile arrotondare tutti gli spigoli anteriori (orizzontali e verticali), eccetto quello di base, con il raggio di curvatura indicato nel disegno (con una dima di controllo il lavoro vi riuscirà perfettamente); le altre pareti potrebbero essere da due centimetri. Considerato lo spessore potete usare qualsiasi tipo di legno o di derivato. Io vi consiglio il medium density. Per quanto riguarda l'aspetto estetico, eventuali strutture (legno o metallo) siano costruite in maniera che non vibrino ed i singoli elementi (listelli o tondini) abbiano una sezione non superiore al centimetro quadrato per evitare di reintrodurre le diffrazioni che abbiamo eliminato arrotondando gli spigoli.

                                                            Dettagli Costruttivi e Regolazioni

Come vi ho anticipato prima la cassa deve essere completamente ed uniformemente riempita di materiale assorbente; dovrete usare esclusivamente lana di roccia nella quantità di 0,7 Kg. per ogni cassa. Lasciate 5 cm. di aria tutto attorno al woofer e dietro il passivo o, meglio, riempite questi spazi con fibra acrilica a bassa densità. Non avrete difficoltà a costruire il filtro meccanico osservando le foto ed i disegni (fig. 6). Si tratta di un cilindro di rete metallica a maglie saldate da 0,6 cm, avente il diametro di 12 e l'altezza di 8 cm che deve essere riempito con 50 grammi di lana di roccia (non sostituibile) disposta uniformemente. Questo dispositivo viene poi montato sopra il woofer il più vicino possibile ma non tanto da limitare il movimento del cono.Il crossover si riduce ad un condensatore da 6,8 uF e ad un attenuatore ad impedenza costante, entrambi in serie al tweeter. L'attenuatore dovrebbe essere regolato per una attenuazione di 7db (meno di metà corsa); trattandosi però di una regolazione di compromesso potete ricercarne una, intorno a quella indicata, per voi migliore. L'attenuatore potrebbe anche essere sostituito da due resistenze (partitore resistivo), però usando un tipo robusto (da 100 watt) non esiste la possibilità inconvenienti anche futuri (perdite di contatto); non vedo perchè rinunciarvi. Consiglio di montare questo elemento esterno, dietro il tweeter, ponendogli accanto anche il condensatore e fissando entrambi con colla termofusibile. Davanti al tweeter, in asse con la cupola, ed alla distanza di un centimetro, ponete una sfera in materiale duro da circa 2 cm di diametro (se la trovate cava riempitela di colla termofusibile), che serve ad evitare un'eccessiva direzionalità sulle altissime.

                                                          Note Finali e Conclusioni

In questo diffusore, di sui in fig. 7 vedete il prototipo, sono stati adottati tutti gli accorgimenti possibili per assicurare le massime prestazioni. Alcuni di questi accorgimenti sono presenti anche in altri diffusori, in particolare in quelli high end (fig 8), però mai tutti insieme. Vi sono inoltre alcune soluzioni originali non presenti altrove. Ogni provvedimento comporta un piccolo miglioramento e tutti insieme fanno la differenza. Circa l'ascolto mi limito a dirvi che vi accorgerete che nei vostri dischi ci sono molte più informazioni di quante non pensavate. Dovrete abituarvi a questo tipo di riproduzione un poco alla volta: vi sembrerà che ci siano troppi acuti e potrà accadervi di avere l'impressione che gli altoparlanti siano guasti dal momento che questo diffusore riesce a riprodurre anche i rumori accidentali presenti in molte registrazioni, rumori normalmente non udibili con i diffusori normali. L'efficienza (quasi 90 db) sembrerà bassa dal momento che potrete spingere al massimo il vostro amplificatore senza udire distorsione.
Circa le misure da segnalare quella relativa alla curva di impedenza (fig. 9) che mostra picchi contenuti al di sotto dei 100 Hz a conferma dell'eccezionale smorzamento delle risonanze del sistema reflex, e linearità paragonabile a quella di una resistenza nel resto della gamma; la fase elettrica è contenuta entro 20° da 100 a 20.000KHz. Un carico davvero facile per qualunque amplificatore.

                                                           Collocazione in ambiente (fig. 10)                       
 

Come spiegato precedentemente, il diffusore si avvantaggerà, per regolarizzare la propria gamma bassa, delle riflessioni operate dalle pareti della stanza.
Affinché ciò avvenga i diffusori devono essere posti a ridosso della parete di fondo e sollevati di 0,5 - 1 metro dal pavimento. Se si vuole ottenere il massimo rinforzo delle frequenze basse , specialmente se la la stanza è di dimensioni medio piccole, un'ottima sistemazione è negli angoli della parete più stretta, tenendo conto che le precauzioni che si prendono con i diffusori convenzionali in questo caso non servono e sono anzi controproducenti.
Anche gli elementi architettonici e di arredo producono riflessioni che riguardano però le frequenze medie e alte. Per non degradare la prospettiva acustica che la stereofonia permette di ricostruire, queste riflessioni, riferite ai due diffusori, devono risultare pari e speculari. Pertanto se a destra c'è una poltrona, come pure una finestra, una libreria, un mobile ecc., gli stessi elementi devono (dovrebbero) trovarsi anche a sinistra.
E' inoltre necessario che la semistanza dalla cui parte sono collocati i diffusori sia morta, ovvero assorbente, mentre l'altra può essere viva, cioè moderatamente riverberante (dead to live).Tutto ciò allo scopo di eliminare le prime riflessioni, quelle che l'orecchio non riesce a separare dal segnale diretto che risulterebbe pertanto distorto temporalmente. Vi possono aiutare tappeti, tendaggi (pesanti), moquette, sughero ecc.;in mancanza ricorrete ai pannelli fonoassorbenti che si trovano in commercio. Non trascurate il problema, non evitate di trattare il pavimento (tappeto) ed almeno il metro di parete dietro ed a lato del diffusore; il soffitto, a meno che non sia quello basso di una mansarda, può rimanere nudo. Tutte le superfici trattate con i materiali citati manterranno il loro potere riflettente nei confronti delle frequenze basse che non saranno quindi attenuate. Se sarete stati in grado di assicurare le condizioni descritte in questo ultimo capitolo otterrete bassi possenti, profondi e frenati ed una drammatica ricostruzione del centro, in mancanza il risultato finale (l'ascolto) sarà estremamente deludente e tanto varrebbe rinunciare alla costruzione.

                                                            Note per l'autocostruttore

Ricevo parecchie richieste da parte di autocostruttori che avrebbero intenzione di realizzare il DNC, per ascoltarlo. Poiché non tengo  questi diffusori in dimostrazione nel mio laboratorio  sono costretto a disturbare qualche amico che li ha realizzati ad ospitarci a casa sua per l'occasione. Il risultato della dimostrazione è in genere deludente per varie ragioni: la collocazione dei diffusori nell'ambiente non è mai ottimale, i dischi disponibile per la prova, specialmente quelli che si porta l'interessato,  presentato i tipici difetti dovuti alla tecnica di ripresa e di manipolazione del suono che il DNC mette drammaticamente in evidenza, pertanto la prova risulta insoddisfacente. Ma c'è un'altra ragione più importante. Negli ultimi 50 anni i fabbricanti di diffusori ci hanno abituato ad un tipo di riproduzione che tende alla piacevolezza piuttosto che alla verità. Un diffusore che non nasconda le asprezze presenti nel suono di un violino o di una tromba, o la metallicità delle note del pianoforte, quando le corde sono percosse con violenza, può inizialmente lasciare sconcertati. In altre parole chi intenda realizzarlo,  deve essere convinto che le scelte progettuali del DNC siano giuste piuttosto che tentare di raggiungere questa convinzione attraverso una prova di ascolto estemporanea. Aggiungo che non conosco nessuno fra quelli che disponga del DNC, anche nelle versioni precedenti all'attuale, che vi abbia rinunciato per passare ad altro diffusore.

il DNC nella realizzazione del Sig. Marco Amboldi

il DNC nella realizzazione del Sig. Massimo Pagliero

Reperibilità materiali

Non dovrebbero esserci difficoltà, i prodotti MONACOR sono ben distribuiti. Sono comunque in grado di fornirli io stesso, ai prezzi sotto indicati:

                                                                   Didascalie figure:

Fig. 1: Emissioni del woofer e del radiatore passivo (rilevate entrambe "per punti").
Fig. 2: Risposta in ambiente del diffusore (v. testo), sempre rilevata "per punti".
Fig. 3: Dettagli utili per la "customizzazione" del tweeter e per la realizzazione del radiatore passivo.
Fig. 4: Sezione verticale (sulla mezzeria) del diffusore, con indicazione delle principali quote da rispettare.
Fig. 5: Possibili versioni del diffusore (è necessario in ogni caso rispettare il valore del volume interno).
Fig. 6: Dettagli costruttivi del "filtro meccanico" (v. testo).
Fig. 9: Curve di impedenza e di fase elettrica.

u. rev. 13/10/07

Sergio Canini.