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**Andrea 16V** · 15-10-2003, 12:17

"Tipologie di caricamento per box subwoofer" by Tarivor

1. Premessa
Negli altoparlanti il suono viene prodotto dal movimento di una membrana. Qui iniziano subito i problemi perché vengono prodotti due fronti d'onda sonora: uno dalla parte anteriore della membrana, l'altro dalla parte posteriore. Purtroppo, questi fronti d’onda sono in controfase, col risultato che se provassimo a far suonare a basse frequenze e senza cassa un tipico AP a cono, la distanza che dovrebbe percorrere un fronte d'onda per arrivare a sommarsi con l'altro sarebbe praticamente nulla e i due fronti d'onda sarebbero liberi di annullarsi a vicenda in una sorta di cortocircuito acustico. In pratica vedremmo muovere la membrana senza udire alcunché.
Per una corretta riproduzione delle basse frequenze è quindi indispensabile agire sui fronti d'onda in maniera tale da rifasarli oppure rendere inudibile uno dei due. Per far ciò basta montare l'AP in un box di caricamento, generalmente chiamato cassa acustica, normalmente realizzato in legno. Esistono vari tipi di caricamento ma per tutti, nessuno escluso, è fondamentale un box quanto più rigido ed impermeabile al suono. Meglio non lesinare sulla qualità e sullo spessore del legno. Esagerare non fa male…anzi!

Andiamo ora ad analizzare le tipologie di caricamento più usate anche con l’ausilio di grafici ricavati utilizzando due software freeware per la progettazione di box acustici:
Bass-PC 3.0 (è vecchio programma DOS ma, secondo me, ancora favoloso)
WinISD (gira sotto Windows e simula anche il doppio Reflex)

**Andrea 16V** · 15-10-2003, 12:18

2. Cassa Chiusa
E’ la tipologia più semplice e facile da realizzare. Si monta l’AP in un mobile sigillato e a tenuta stagna dove il fronte d'onda posteriore dell'AP non è udibile proprio perché imprigionato all’interno del box. Essendo inudibile dall’esterno non può andare a sovrapporsi al fronte d'onda anteriore.
Risultato: tutto il suono di una cassa chiusa viene esclusivamente dal movimento della membrana, che produce, in maniera udibile, il solo fronte d'onda anteriore.
Il tipo di AP e il volume della cassa determinano la frequenza di risonanza del box (Fc) che può essere solo superiore alla frequenza di risonanza dell'AP in aria libera (Fs) in quanto l'aria contenuta all'interno della cassa si comporta come una sospensione aggiuntiva. Al di sotto della Fc la risposta di un box chiuso cala di 12db per ottava, in assoluto la più bassa pendenza di attenuazione tra tutti i sistemi di caricamento. Nella progettazione di una cassa chiusa è auspicabile partire dalla scelta del valore di Qtc, ovvero, il fattore di merito della risposta in frequenza di un box chiuso. Attenzione al fatto che questo valore non può essere inferiore al Qts dell'AP. Un corretto progetto di cassa chiusa dovrebbe avere un Qtc compreso tra 0.5, molto smorzato, e 1, poco smorzato. Un ottimo valore di compromesso è 0.7 - 0.71 ovvero il massimo valore di Qtc senza enfatizzazioni della risposta. Scegliete l’altoparlante in maniera tale che il Qtc ottenuto con il volume di caricamento desiderato (Vc), sia accettabile.
Per capire come il Qtc agisce sulla risposta in frequenza, basta guardare la Fig.1 che mostra un grafico ottenuto sovrapponendo la risposta di Ap diversi ,ma con stessa sensibilità di 90db, caricati in cassa chiusa risuonante alla stessa Fc, 75 Hz. L’unica cosa che varia è proprio il fattore di merito Qtc (segnato in rosso).

Ma come si può variare questo fattore di merito?

Se ci pensate, mantenendo lo stesso AP, l'unico parametro che potete variare in una cassa chiusa è il volume di caricamento, il Vc. Anche l'inserimento di materiale assorbente all'interno del box si traduce, semplificando, in un aumento virtuale di Vc. Purtroppo sia la Fc che il Qtc sono inversamente proporzionali al volume di caricamento e quindi non si può variare il Qtc senza variare la Fc. Quindi la situazione reale non è quella di Fig. 1 ma quella in Fig.2 che mostra un grafico delle risposte in frequenza dello stesso AP (Qts pari a 0.42) variando il volume di caricamento per ottenere le stesse Qtc di Fig.1. Le forme delle risposte sono analoghe ma risultano traslate lungo l’asse delle frequenze a causa dell’aumento della Fc con l’aumentare del Qtc.

Parliamo un poco anche del movimento della membrana in un box in cassa chiusa. Più le frequenze che il box è chiamato a riprodurre sono basse più il cono, a parità di pressione, è chiamato a muoversi (escursione). Questo avviene fino alla Fc. Al di sotto di quest’ultima l’escursione tende a stabilizzarsi fino a non crescere più perché il volume d’aria contenuto all’interno del box, chiamato a comprimersi di molto, lo impedisce. Per questo motivo la risposta cala di 12db per ottava sotto la Fc. Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, purtroppo, presenta bassa sensibilità e necessita conseguentemente di amplificazioni molto “robuste”.

Scelta dell’altoparlante:
Sulla scelta di AP adatti a ricoprire il ruolo di subwoofer con questo tipo di caricamento, occorre precisare che non esistono regole ferree ma che si ottengono risposte in frequenza soddisfacenti se i parametri caratteristici di Thielle&Small rispettano le seguenti equazioni :
Fs/Qes<75
0.7>Qts>0.4
E’ necessaria anche grande capacità di muovere aria da parte dell’AP se si desiderano alti volumi d’ascolto indistorti. Quelli che seguono sono parametri molto personali ma, per dare un’idea, un diametro nominale dell’AP di almeno 10" (25cm) congiunto ad una Xmax maggiore di 7mm cominciano ad essere buoni valori. Ad alcuni basta un 20cm con escursione risicata, ad altri non bastano due 30cm con escursioni Kmetriche.

Vantaggi:
· Facile da costruire e tollerante agli errori di progettazione
· Transienti migliori (tradotto significa che è molto rapido e “naturale” se correttamente progettato e realizzato)
· Bassa pendenza di attenuazione sotto la frequenza di risonanza (12 dB/ottava)
· Regge molta potenza in tutta la gamma di frequenza riprodotta
· Box generalmente piccoli

Svantaggi:
· Efficienza bassa
· Minore tenuta in potenza alle frequenze più alte della gamma bassa con maggiore distorsione
· Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, generalmente, presenta bassa sensibilità

Formule:
· Vc = Vas/[(Qtc/Qts)^2-1]
· Fc = Fs x Qtc/Qts

**Andrea 16V** · 15-10-2003, 12:18

3. Cassa Reflex
Praticamente una cassa reflex è simile ad una cassa chiusa con in più un foro/condotto di uscita per l'aria, il Reflex, che riutilizza l’energia del fronte d'onda posteriore facendolo di arrivare all’ascoltatore. Questo condotto, assieme al volume d'aria di caricamento (Vb), determina una frequenza di risonanza meglio conosciuta come frequenza di accordo del reflex (Fb). E' importante notare che l'AP non influisce minimamente sul valore di questa frequenza.

Ma come? Il fronte d’onda posteriore arriva all’ascoltatore? Ma non era in controfase? In questo caso l’insieme cassa e tubo reflex è capace di modificare il volume e la fase dei fronti d’onda e di proporli all’ascoltatore in modo tale da accordare la loro azione. Semplificando (di molto): il movimento d’aria proveniente dal reflex si somma al fronte d'onda anteriore sopra la frequenza di accordo Fb mentre al di sotto si sottrae e la risposta decade di 18db per ottava. Alla frequenza di accordo il cono dell'AP è immobile e tutto il suono proviene dal reflex. Ciò è dovuto alla risonanza del sistema "volume interno/reflex". Sotto la frequenza di accordo, essendo l’AP praticamente in cortocircuito acustico, il movimento del cono cresce spropositatamente tanto da consigliare l’uso di un filtro passa alto/subsonico per tagliare le frequenze molto al di sotto del Fb se questa è sopra i 45hz. Per meglio apprezzare il comportamento di un box reflex raffrontandolo al box chiuso ottenibile con lo stesso AP basta dare un’occhiata alla Fig. 3 e Fig. 4. Nel primo caso è utilizzato un AP strettamente da reflex con cui l’uso di un filtro passa alto è praticamente obbligatorio. Nel secondo caso è utilizzato un AP da cassa chiusa che ben si adatta al caricamento in cassa reflex anche se di buon volume. In questo caso l’utilizzo del filtro passa alto è opzionale.

Rispetto una cassa chiusa il progetto si complica di molto perché, oltre a dover scegliere un AP adatto e un volume di caricamento, occorre decidere il giusto valore di Fb e dimensionare correttamente il condotto reflex. Fortunatamente questo è anche un vantaggio in quanto si possono ottenere risposte in frequenza molto più variegate rispetto la cassa chiusa. In funzione della Fb e della Vb si può decidere di utilizzare il reflex per aumentare l’estensione in basso o per guadagnare qualche prezioso decibel nella gamma utile e diminuire l’escursione del cono a frequenze dove il contenuto energetico musicale è più importante. L’errore più comune è quello di progettare il box senza tener conto dell’importanza della sezione del reflex. In pratica si calcolano la Vb e la Fb e poi ci si ricava la sezione del reflex facendo in modo che il tubo reflex possa essere collocato nel box. Niente di più sbagliato. A causa dell’aumento delle turbolenze e della velocità dell’aria imposta all’interno del reflex ci ritroveremmo con delle vere e proprie “pernacchie” che escono dal reflex quando alziamo il volume. Occorre, quindi, prestare molta attenzione al reflex e possibilmente svasare quanto più possibile le estremità del tubo. A causa delle interferenze delle pareti del box e delle turbolenze, nella pratica difficilmente troverete la stessa Fb indicata dalla simulazione al computer.Ecco un piccolo trucco per verificarne il valore reale sul vostro box appena realizzato. Trattasi del “metodo del dito”. Fissate saldamente il tubo reflex ma lasciandovi la possibilità di smontarlo. Procuratevi un cd test con toni sinusoidali a passi di 1hz ( in rete si trovano dei softwerini per realizzarlo in proprio) e, partendo 10-20hz sopra la Fb desiderata e tenendo un dito poggiato sul cono, scendete di frequenza fino a sentire il cono immobile. Quella è la vera Fb che avete ottenuto. Fate molta attenzione a giocare con i volumi e con le frequenze perché, in caso contrario, rischiate di rompere l’AP. Provate a dare 20hz al progetto reflex di fig.3 e, esagerando col volume, vi ritroverete con il cono in mano! Se vi accorgete che qualcosa non quadra correte ai ripari. Smontante il tubo reflex e modificatene la lunghezza fino ad arrivare alla Fb desiderata. Solo a questo punto fisserete il tubo reflex in maniera definitiva. In generale è meglio posizionare il reflex ad almeno 5 cm dalle pareti laterali e lasciando una distanza pari al diametro del reflex tra la bocca interna di quest’ultimo e la parete posteriore del mobile.

Gli AP adatti a caricamenti reflex presentano generalmente alta sensibilità e quindi si accontentano anche di amplificazioni non troppo “muscolose”.

Scelta dell’altoparlante:
Anche per il reflex non esistono regole ferre ma solo indicative. Ecco delle equazioni per verificarne la compatibilità:
Fs/Qes>60
Qts<0.5

Vantaggi:
· Risposta in frequenza estesa verso il basso
· Se ben realizzata supera in estensione verso le bassissime frequenze la cassa chiusa
· Maggiore efficienza
· Ottima tenuta in potenza al disopra della frequenza d'accordo del condotto
· Distorsione minima alle frequenze più alte della gamma bassa
· Buon raffreddamento della bobina mobile
· Gli AP adatti al caricamento reflex presentano generalmente alta sensibilità

Svantaggi:
· Box generalmente grandi
· Sotto la frequenza d'accordo l'AP suona come senza box e i due fronti d'onda sono liberi di annullarsi a vicenda con un aumento esponenziale dell’escursione del cono al diminuire della frequenza
· Difficile il progetto sulla carta, ancor più difficile rispettarlo nella pratica
· Suono meno naturale con transienti peggiori rispetto un box chiuso
· Possibile obbligo di un filtro passa alto/subsonico

Alcune Formule:
· Diametro minimo consigliabile condotto reflex a sezione circolare = 0,56 x D x SQR (Xmax)/SQR(SQR(Fb)) dove SQR è la funzione radice quadrata e D è il diametro espresso in millimetri del cono dell’AP
· Lunghezza Condotto a sezione circolare = [2354,29 x d^2/(Vb x Fb^2)]- (0,85 x d) dove d rappresenta il diametro del condotto
· Per AP con 0.45>Qts>0.2 si possono usare le formule seguenti per progettare un box reflex in accordo B4 (massima estensione con risposta piatta)
Fb = F3 = 0,39 x Fs / Qts dove la F3, coincidente con la Fb, indica il punto a -3db della risposta
Vb = 6,27 x Qts^2 x Vas

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FAQ - "Teoria e pratica dei box subwoofer" by Tarivor

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