Tabella
2 Lista dei pezzi necessari alla costruzione del mobile. Platone II
Il primo subwoofer piatto in doppio carico reflex progettato con il nuovo WinBass 1.0
Nel novembre 1994, sul N° 50 di Audio Car Stereo, veniva presentato il kit Plat-one (Platone per gli amici), un subwoofer relativamente piatto con un altoparlante da 25 cm accordato in carico simmetrico. Lo spessore ridotto del mobile permetteva l’installazione sul fondo del bagagliaio, con l’ovvia accortezza di non ostruire il condotto di accordo, occupando si un volume consistente (circa 64 l) ma restituendo comunque un piano di carico ampiamente sfruttabile. Purtroppo l’altoparlante usato, l’AVI SL500 responsabile in gran parte delle ottime prestazioni riscontrate, non è più importato in Italia. A questo punto, si è preferito, pur mantenendo la stessa impostazione "filosofica", rivedere il progetto e proporre qualcosa di completamente nuovo.
Gli obiettivi
Fatte le dovute presentazioni andiamo a fissare gli obiettivi che questa realizzazione intende ottenere: - risposta estesa da 40 Hz ad oltre 150 Hz, ovvero piuttosto ampia per un sistema passabanda. - buona dinamica (MOL >90 dB) già a partire dai 40 Hz. - ottima tenuta in potenza. - facilità di costruzione ed installazione. - costo complessivo £ 500.000 lire. - mantenere la filosofia costruttiva della prima versione di Platone, ovvero realizzare un mobile relativamente "piatto". In sintesi l’intento è quello proporre un sub fruibile, per dimensioni e costi, ad un ampio pubblico. Ed è in quest’ottica che si comprendono meglio gli obiettivi fissati: ad esempio un’ampia risposta in frequenza lascia libero l’utilizzatore di scegliere la frequenza di incrocio con il resto del sistema, sperimentando tagli anche relativamente alti in modo da sovrapporre l’emissione del sub con quella del medio basso. Questo accorgimento permette di ottenere, in certe situazioni, una riproduzione delle basse frequenze particolarmente avvolgente e delocalizzata. La prima versione di Platone propone prestazioni dinamiche eccezionali che comunque hanno un costo sia in volume occupato che in impegno economico. Il mobile di Platone II occupa un volume di 38 litri circa (quasi la metà del precedente) ed è destinato al montaggio nel bagagliaio in tre diverse posizioni: sul fondo, sullo schienale del sedile posteriore oppure "sospeso" sul baule a mo’ di pianale. Questa ultima opzione va praticata con attenzione e con le dovute precauzioni onde evitare danni ai passeggeri in caso di incidente nonché punti di penalità nei trofei (vedi riquadro sulla sicurezza). Il tipo di caricamento utilizzato è il doppio reflex (vedi riquadro sui Sistemi passabanda), un sistema che è relativamente nuovo per i lettori e autocostruttori che frequentano questa rivista e che non era previsto nel Bass 3.0. Ma come diceva il filosofo "tutto scorre" ed è oramai in vendita il nuovo programma WinBass 1.0. Le possibilità offerte dal nuovo prodotto, sviluppato dall’infaticabile Pierfrancesco Fravolini, sono innumerevoli e fra le altre vi è la capacità di simulare anche il doppio carico reflex. Questo tipo di caricamento degli altoparlanti permette di ottenere l’ampia risposta in frequenza ricercata con la dinamica richiesta alle basse frequenze: non basta avere un sistema in grado di riprodurre linearmente le frequenze inferiori, occorre che la dinamica disponibile sia sufficiente ad una riproduzione verosimigliante. Un vantaggio secondario (ma non troppo) dei sistemi come questo è che gli altoparlanti sono totalmente contenuti nel mobile e quindi protetti. Il bagagliaio, fatta salva l’accortezza di non ostruire i condotti di accordo, è completamente fruibile visto che è possibile poggiare il carico sul mobile senza procurare danni di alcun tipo (eccezion fatta per picconi, accette, massi di granito ...). Il progetto prevede l’uso di due altoparlanti da 16 cm in push-pull, ovvero montati affacciati dal lato membrane fra di loro e configurati con le due bobine in controfase. In questo modo quando un diaframma avanza in una direzione l’altro arretra della stessa distanza e la piccola quantità d’aria ermeticamente chiusa fra i due coni rimane sempre alla stessa pressione. La coppia di altoparlanti così montati può essere vista come un trasduttore unico, avente fra l’altro, un Vas che è la metà di quello del singolo componente. Questo permette di utilizzare volumi di carico esattamente dimezzati rispetto a quelli necessari, a parità di estensione in frequenza, ad un solo trasduttore. L’altoparlante scelto, l’HE 165 X, è un nuovo mid woofer da 16 cm prodotto della Coral, provato sul numero 56 di ACS (vedi riquadro Altoparlante).
Le simulazioni
Prima di proseguire va ricordato che in questo caso particolare, dove una dimensione dei volumi di carico è ridotta e molto inferiore alle altre due, le simulazioni ottenute con i programmi sono piuttosto indicative in quanto vengono a decadere alcune ipotesi che stanno alla base dei modelli utilizzati nei programmi stessi. Caricato il file relativo ai parametri elettroacustici del Coral HE 165 X bisogna provvedere ad informare il programma del tipo configurazione che intendiamo utilizzare per gli altoparlanti, nel nostro caso abbiamo due altoparlanti montati in push-pull con le bobine in parallelo. A questo punto si entra nella finestra relativa al doppio carico reflex e si inizia a inserire i dati che caratterizzano il nostro sistema: per il doppio reflex vanno fissati i volumi delle due camere e le due frequenze d’accordo, i diametri dei tubi reflex e i fattori di merito relativi al mobile e all’assorbente. Inizialmente si può restare un poco disorientati dalla quantità dei dati richiesti e non capire bene le relazioni che intercorrono fra i parametri e le variazioni della risposta. Dopo un poco di pratica risulta abbastanza facile modellare il sistema sulle proprie esigenze. Nel caso specifico si richiede una risposta in frequenza utile estesa da 40 ad oltre 150 Hz. In un doppio reflex la banda utile è compresa grossomodo fra le due frequenze di accordo quindi conviene sceglierle in un intorno dei 40 e dei 150 Hz. Nel nostro caso le due frequenze sono 42 e 125 Hz. A questo punto, tenendo fermi i valori di default suggeriti dal programma per i fattori di merito si variano i volumi delle due camere fino ad ottenere la risposta cercata. Successivamente vanno inseriti valori realistici per i fattori di merito e per i diametri dei tubi e si prosegue per una ottimizzazione del sistema. Chiaramente questo è uno solo dei tanti modi di procedere alla definizione di un sistema con il nuovo programma. Vista la novità si è voluto comunque suggerire una strada fra le tante dalla quale iniziare. In figura 1 è riportato il diagramma della risposta in frequenza e della escursione simulate di Platone II, assieme ai tutti i valori che definiscono il sistema. L’andamento in salita verso le altre frequenze è stato voluto per compensare il calo che si ha nelle condizioni d’uso dovuto al volume d’aria del bagagliaio e alla sua separazione più o meno blanda con l’abitacolo. Osservando l’andamento della escursione della membrana è possibile riconoscere i due minimi in corrispondenza delle due frequenze di risonanza tipici del doppio reflex. Questa è la caratteristica positiva forse più importante di questo sistema di accordo ma occorre dimensionare il sistema opportunamente per poterla sfruttare: nei sistemi passabanda l’emissione proviene completamente dai condotti. Se i questi non sono ben studiati e realizzati le prestazioni ipotizzate dal migliore dei programmi di simulazione rimarranno "virtuali". Per Platone II la superficie dei condotti di accordo è di 72 cm2 ovvero pari alla metà della superficie dell’altoparlante usato. Se il condotto fosse cilindrico il suo diametro dovrebbe essere di 95.75 mm. Per tale diametro, per una frequenza di accordo di 42 Hz e per un volume di 16 litri il programma ci fornisce una lunghezza del tubo di 686 mm. Nella realtà il condotto usato è lungo 44 cm. Questa notevole disparità è dovuta alla geometria usata, con una estremità del condotto a ridosso della parete di fondo (figura 2) e con una delle dimensioni delle camere praticamente coincidente con quella del tubo. Questi accorgimenti permettono di limitare l’ingombro del mobile ma portano alcune controindicazioni: la prima, ovviamente, è che con il programma attuale non è possibile calcolare la lunghezza di questo tipo di condotti, la seconda è che sul risultato finale, in termini di massima pressione acustica ottenibile, pesa la fluidodinamica dell’aria nel condotto. Nel caso specifico i problemi nascono dalla rotazione che il flusso dell’aria subisce all’ingresso nel tubo ed alla creazione di vortici alternati attorno al bordo di ingresso. Non c’è da preoccuparsi in questo caso visto che la soluzione (seppur di compromesso) è pronta e servita ma quelli che vorranno cimentarsi in progetti similari sono avvertiti. La costruzione del mobile Il mobile di Platone II è costruito in MDF da 16 e da 19 mm. La costruzione si sviluppa attorno alla tavola che sorregge i due altoparlanti. Il piano superiore ed inferiore vanno lasciati amovibili per permettere l’ispezione e/o la sostituzione degli altoparlanti in caso di malfunzionamenti. Per contenere lo spessore complessivo del mobile i magneti degli altoparlanti sono stati tenuti parzialmente o totalmente esterni ai volumi di carico (foto 2) ricavando lo spazio per il loro alloggiamento forando le tavole inferiore e superiore. Sicuramente questo accorgimento rappresenta l’unica piccola difficoltà di una realizzazione per il resto realizzativamente assai facile. Seguendo la procedura esposta di seguito è possibile realizzare Platone II in meno di una giornata lavorativa, tenendo conto anche dei tempi di essiccazione della colla. La costruzione dovrebbe iniziare dai fori circolari necessari per ospitare i magneti degli altoparlanti (piani superiore ed inferiore) e per il montaggio dei trasduttori. Per i primi due fori è necessaria una certa precisione nella localizzazione del centro, nel tracciare il cerchio e nel taglio. Qui il tempo che si "perde" controllando ogni passo due volte è guadagnato perché si evitano successivi aggiustamenti all’atto del montaggio finale. Successivamente si pratica il foro rettangolare sul pannello centrale e quelli sul rinforzo da posizionare nel volume maggiore. I piani di taglio sono riportati in figura 2. A questo punto si procede all’assemblaggio dei pezzi "verticali" attorno alla tavola centrale non appena la colla vinilica si è solidificata si procede a posizionare gli altoparlanti al loro posto. Va prestata la massima attenzione a che: l’altoparlante sia perfettamente centrato con il foro in modo che la sospensione non tocchi in nessun punto il legno, il magnete attraversi i pannelli superiori ed inferiori liberamente senza forzature, che i fori delle viti siano sfalsati e che queste non attraversino la tavola danneggiando il componente dall’altro lato, che sia stata montata una guarnizione in modo che la giunzione altoparlante-legno sia perfettamente ermetica. Dopo la prova di montaggio si rimuovono gli altoparlanti e si procede al posizionamento dei cavi e dell’assorbente. La camera più grande va riempita completamente con poliuretano espanso a celle aperte bugnato dello spessore complessivo di 3.5 cm. Prima si dispone una striscia del materiale dell’altezza di 7 cm su tutto il perimetro della camera, successivamente si tagliano dei pezzi rettangolari da disporre in modo che le "gobbe" non possano toccarsi. Va lasciato libero il tratto che va dall’altoparlante al condotto di accordo (foto 4). La camera più piccola va riempita con gommapiuma dello spessore di 2 cm (20 kg/m3) del tipo facilmente reperibile dai tappezzieri. Anche qui va lasciato libero lo spazio che c’è fra altoparlante e porta. Il condotto di accordo va riempito con fibra poliestere del tipo utilizzato come filtro per le cappe aspiranti (reperibile nei negozi di ferramenta). Basta prenderne una striscia delle dimensioni di 12x15 cm, ripiegarla tre volte su se stessa ed inserirla nella porta (foto 5). Tutti i pezzi di MDF che compongono Platone II sono di forma rettangolare. E’ sufficiente portare la lista con il numero e le dimensioni dei pezzi
Tabella
2 Lista dei pezzi necessari alla costruzione del mobile.
presso un qualsiasi rivenditore di legno, compensati e affini per ottenerli in poco tempo. In figura 2 sono riportati i disegni del mobile e i numeri dei pezzi mentre le foto 3 e 4 dovrebbero chiarire ogni dubbio sul loro posizionamento. Durante le prove la stretta feritoia che c’è fra i magneti e i pannelli superiore ed inferiore può essere sigillata con della plastilina mentre all’atto della chiusura definitiva va usato del silicone per garantire l’ermeticità del tutto.
Bene. A questo punto dovreste essere in grado di costruire il vostro Platone II. Se siete arrivati fin qui è evidente che il vostro interesse è molto più che semplice curiosità. Quindi ... buon lavoro.
Luca Angelelli
APPROFONDIMENTI
Per sfruttare nel miglior modo possibile gli altoparlanti chiamati a riprodurre le basse frequenze questi vanno montati in mobili chiusi (figura 5), per controllarne l’escursione, la risposta e per evitare che l’emissione posteriore del trasduttore interferisca con quella principale in modo distruttivo. I sistemi di caricamento più diffusi sono la cassa chiusa e il bass reflex dove gli altoparlanti sono montati con un solo lato, di solito dalla parte del cestello, in un mobile "chiuso". Nel primo caso la "cassa" è ermetica mentre nel secondo è presente un condotto che mette in comunicazione l’interno con l’esterno. In questo caso il volume d’aria nel mobile e quello nel condotto costituiscono un risonatore la cui emissione si va a sommare in fase per un buon tratto con quella diretta del trasduttore rinforzando così l’emissione in gamma bassa del sistema. Uno dei vantaggi fondamentali del bass reflex è che alla frequenza di risonanza del sistema altoparlante-volume-condotto l’emissione dovuta al risonatore è massima e al contempo è minima l’escursione del trasduttore. Questo significa che nell’intorno di questa frequenza e a parità di movimento del cono sarà possibile ottenere pressioni acustiche più alte rispetto ad un montaggio in cassa chiusa di volume eguale. Al calare della frequenza l’emissione anteriore e quella posteriore non sono più in fase e si cancellano vicendevolmente. In un sistema bass reflex la risposta in frequenza resta, usualmente, ad un livello costante fino alla frequenza di risonanza del sistema dopo di che decade molto rapidamente con una pendenza di circa 18¸24 dB per ottava (dB/oct.). Nel caso si voglia costruire un sistema dedicato alla riproduzione delle sole frequenze più basse può far comodo voler sfruttare solamente l’emissione del condotto eliminando l’emissione dell’altoparlante alle frequenze più alte per avere i vantaggi del reflex riducendone gli svantaggi.. Nel carico simmetrico il trasduttore è montato affacciato su due camere, una completamente chiusa e l’altra accordata con un condotto. Dimensionando opportunamente il sistema è possibile fare in modo che la frequenza di risonanza della cassa chiusa coincida con quella reflex. L’emissione acustica è tutta a carico del risonatore e la risposta acustica ha un andamento a campana intorno alla frequenza di risonanza assimilabile a quello di un filtro elettrico passabanda del secondo ordine ovvero con una pendenza sia passa alto che passabasso di 12 dB/oct. L’escursione dell’altoparlante è, come illustrato, minima alla frequenza di risonanza ovvero in concomitanza della zona di massima pressione acustica con chiari vantaggi per quanto riguarda la dinamica massima ottenibile dal sistema. Nel caso del doppio reflex l’altoparlante è montato affacciato su due camere entrambe accordate a frequenze diverse: l’intento è quello di contenere l’escursione e al contempo massimizzare il livello in due punti diversi della risposta. Se si scegliesse al stessa frequenza di accordo le due emissioni si cancellerebbero mutuamente perché di fase opposta: intuitivamente si può pensare che quando il cono si muove in una direzione forza l’aria ad uscire da un condotto ma al contempo ne aspira altrettanta dall’altro ... Scegliendo opportunamente volumi e frequenze è possibile fare in modo che le due emissioni risultino in fase per un certo intervallo integrandosi l’una con l’altra. Anche in questo caso la risposta ha un andamento a campana ma la pendenza di attenuazione è molto più ripida del carico simmetrico a causa della cancellazione mutua delle due emissioni fuori dell’intervallo di lavoro. Brevi note sul filtraggio attivo Quasi contemporaneamente a WinBass 1.0 è uscito WinCross 1.0, un nuovo programma per la simulazione di reti di crossover, sia attive che passive, della Technimedia. Approfittiamo delle possibilità offerte dal quest’ultimo per studiare l’effetto di tre diverse frequenze di taglio di un ipotetico filtro attivo a 12 dB/oct.
Il mid woofer usato è il Coral HE 165 X (foto 7), un prodotto della nuova serie HE di trasduttori della casa torinese per l’uso in macchina. La gamma comprende 2 tweeter e 5 altoparlanti a cono. Il modello usato, come suggerisce la sigla, rientra nella classe dei 16 cm ed è dotato di alcune caratteristiche particolari: membrana composta da due fogli di polipropilene accoppiati da uno strato di materiale smorzante, bobina da 33 mm con Aluring: un anello di alluminio posto all’interno del gruppo magnetico, al di sotto della bobina mobile che diminuisce la distorsione uniformando localmente il campo magnetico. L’escursione in zona lineare (Xmax) di questo componente è particolarmente estesa, 5.5 mm, ovvero quasi doppia rispetto a quella che usualmente si trova fra i "6 pollici". Insomma si tratta di un altoparlante eccellente venduto ad un prezzo assai competitivo.
Tabella 1
Parametri elettroacustici misurati del Coral HE 165 X.
Un aspetto spesso trascurato nelle installazioni di impianti hi-fi in macchina è la sicurezza degli occupanti. Apparentemente alta fedeltà e sicurezza potrebbero apparire come questioni assolutamente distinte ma smettono di esserlo quando l’audiofilo decide di appagare la propria passione installando un impianto evoluto, in grado di riprodurre con buona dinamica tutta o quasi la gamma audio. Necessariamente dovrà installare altoparlanti dedicati alle varie bande di frequenze, amplificatori, crossover ... e sicuramente anche uno o più subwoofer. Tutti componenti di ingombro e peso non trascurabile che devono trovare posto in un volume limitato e spesso non pensato per questo scopo. Visto che verosimilmente l’automobile deve adempiere ai suoi doveri istituzionali (trasporto sicuro di persone o cose) anche dopo l’installazione di un impianto è importante che il veicolo resti utilizzabile in piena sicurezza. Nel malaugurato, ma purtroppo frequente, caso di un incidente tutti gli oggetti che sono all’interno della macchina subiscono delle sollecitazioni molto forti e se non sono assicurati in modo robusto al veicolo possono trasformarsi in micidiali proiettili. I subwoofer per peso ed ingombro sono fra gli oggetti a cui dedicare più attenzione. Per comprendere l’importanza e l’entità del problema facciamo un esperimento "immaginario". Supponiamo di aver acquistato il nostro nuovo sub, un bel sistemino in cassa chiusa del peso di 10 kg. Bene, supponiamo che vi sfugga dalle mani e vada a cadere sul vostro piede. Agh! Dolore virtuale. Il colpo potrebbe avere conseguenze gravi soprattutto per il piede (non escludo che qualcuno possa preoccuparsi prima del sub e poi secondariamente di parti del proprio corpo giungendo ad immolare anche l’altro piede nel tentativo di attutire l’urto dell’amatissimo con il suolo). In questo caso il corpo, alias sub; è sottoposto alla forza di gravità e si muove verso il suolo con una accelerazione costante pari a 1 g. L’esperienza insegna che il dolore è proporzionale all’altezza da cui cade il corpo ed al suo peso. Basta leggere le più diffuse riviste del settore automobilistico per sapere che durante un urto di un veicolo che viaggia a 35 Km/h contro una parete rigida gli occupanti sono soggetti a decelerazioni pari a diverse decine di volte l’accelerazione di gravità. Supponendo di viaggiare in una macchina molto sicura poniamo questo valore, ipoteticamente, pari a 50 g. Il che equivale a dire che il nostro sub si comporterebbe come se pesasse 50x10 = 500 Kg. Potete immaginare cosa potrebbe restare del nostro povero piede. A questo punto si potrebbe pensare di posizionare il nostro sub nel bagagliaio e vivere tranquilli. Ricordate il discorso del piede e dell’altezza? Il vostro schienale sarebbe in grado di fermare un oggetto di mezza tonnellata che cade da, diciamo, 50 cm? Se poi consideriamo la consuetudine di sostituire i pianali originali (di solito in plastica leggera) con altri in legno in grado di sostenere woofer grossi e pesanti, senza prendere importanti precauzioni atte a impedirne il moto in caso di urto frontale, c’è da essere seriamente preoccupati per le teste degli eventuali passeggeri. Nelle gare del trofeo ECAP, patrocinate nel nostro paese da AudioCarStereo, questo tipo di installazione viene giustamente penalizzata con punteggi bassissimi se il concorrente non dimostra di aver preso opportune precauzioni come ad esempio un cavo di acciaio che vincoli il pianale sui due lati alla scocca della macchina impedendo lo scorrimento in avanti. Nel caso di Platone II l’installazione consigliata è sul fondo del bagagliaio il più vicino possibile allo schienale posteriore oppure direttamente montato su quest’ultimo, con l’ovvia accortezza di lasciare il maggior spazio possibile davanti alle uscite dei condotti di accordo. Il mobile va fissato al piano di carico con staffe o ganci ben dimensionati uniformemente distribuiti sui lati. Nel caso si voglia procedere al montaggio di Platone a mo’ di pianale va utilizzato un cavo di acciaio da circa 1 cm di diametro facendolo passare in un foro dello stesso diametro nella tavola sulla quale sono montati gli altoparlanti. I due capi del cavo vanno poi fissati solidamente alla scocca. La lunghezza complessiva di questo cavo deve essere pari alla larghezza della macchina nel punto di fissaggio.
Costi
Figure Fig. 1 Diagramma della risposta in frequenza, della escursione e parametri che definiscono il sistema
Fig. 2 Disegni costruttivi del mobile. Vista dall’alto e dal basso. Piani di taglio dei pannelli superiore, inferiore, centrale e del rinforzo presente nella camera grande. Per le misure dei pannelli fare riferimento alla tabella 2 tramite il numero di identificazione.
Fig. 3 Risposta del sistema con un filtro attivo del secondo ordine di Butterworth con taglio a 60, 80, 100 Hz
Fig. 4. Risposta elettrica dei filtri utilizzati nella simulazione di fig. 2
Fig. 5 Cassa chiusa, bass reflex, carico simmetrico, doppio reflex. Disegni schematici e andamento tipico della escursione e della risposta.
Fotografie
Foto 1 Apertura
Foto 2 Particolare del magnete alloggiati nei pannelliinf. del mobile.
Foto 3 Vista inferiore (lato volume maggiore) del mobile.
Foto 4 Vista superiore (lato condotti di accordo) del mobile.
Foto 5 Posizionamento dell’assorbente nel volume grande.
Foto 6 Posizionamento dell’assorbente nella camera piccola.
Foto 7 L’altoparlante Coral HE 165 X.