Qual è la configurazione ideale del driver degli altoparlanti?

Chiunque sia appassionato di audio da un po’ ha probabilmente sviluppato una preferenza per un certo stile di altoparlanti e una certa configurazione del driver. Questa preferenza potrebbe essere basata sull’esperienza personale, sull’opinione di un revisore di fiducia, sulle conoscenze tecniche o forse anche su alcuni sforzi nella costruzione di altoparlanti fai-da-te. In realtà ci sono molti modi per costruire un buon altoparlante e c’è sicuramente spazio per il gusto personale. Tuttavia, sono spesso sorpreso di quanto poco la maggior parte delle persone (anche alcune che sono profondamente coinvolte nell’audio) capiscano davvero le implicazioni sulle prestazioni delle diverse configurazioni dei driver.

Gran parte di questo è spiegato in The Loudspeaker Design Cookbook. Quando ho letto per la prima volta The LDC 20 anni fa, probabilmente ho aumentato di un ordine di grandezza la mia comprensione di come funzionano gli altoparlanti. Quello che presenterò qui è molto meno tecnico. Incoraggio tutti gli audiofili e i revisori a scavare più a fondo prendendo una copia di LDC, che è ora alla sua settima edizione e che è stata scritta da Vance Dickason, editore della rivista Voice Coil e uno dei designer di altoparlanti più esperti al mondo.

Per capire perché alcune configurazioni di driver funzionano meglio di altre in determinate situazioni, è importante comprendere un paio di principi generali:

1) A parità di altre condizioni, maggiore è il diametro di un driver, minori sono le frequenze che può suonare e maggiore sarà la difficoltà di riprodurre le alte frequenze. Di nuovo, questo è un principio generale, vero solo quando tutte le altre cose sono uguali.

2) La dispersione di un driver (l’uniformità con cui disperde il suono in tutte le direzioni) è principalmente una funzione del suo diametro o, nel caso di driver di forma ovale o rettangolare, delle loro dimensioni orizzontali e verticali. Una buona regola pratica è che la dispersione di un driver inizia a restringersi (o "fascio") alla frequenza la cui lunghezza d’onda corrisponde alla dimensione del driver. Per calcolarlo, dividi 13.512 (la velocità del suono in pollici al livello del mare) per l’area radiante effettiva del conducente. Ad esempio, un woofer da 6,5 ​​pollici con un diametro effettivo dell’area radiante di cinque pollici (misurato dal picco del surround al picco opposto) inizia a irradiare a circa 2.702 Hz, o 13.512 diviso per cinque.

La dispersione è importante perché conferisce a un diffusore un suono ampio, aperto e naturale. Se la dispersione di un altoparlante è scarsa, sembrerà più che il suono provenga dalla cassa dell’altoparlante anziché da un vero cantante o uno strumento. Una scarsa dispersione nella gamma media può anche creare una colorazione delle "mani a coppa" nelle voci, come se i cantanti avessero le mani a coppa intorno alla bocca.

Potresti aver già capito qual è il dilemma più grande nel design degli altoparlanti: più piccolo è il driver, più ampia è la sua dispersione (vedi la tabella delle misure qui sotto, fai clic sulla foto per visualizzarla in una finestra più grande); tuttavia, più piccolo è il driver, meno è in grado di gestire le basse frequenze. Un po’ più di contemplazione potrebbe portare alla consapevolezza che "più semplice è meglio" si applica raramente agli altoparlanti. Più semplice è l’altoparlante, più è probabile che abbia una combinazione di risposta in frequenza irregolare, scarsa dispersione, mancanza di risposta dei bassi e/o degli acuti e/o alta distorsione.

Consideriamo i pro ei contro di alcune delle configurazioni di driver degli altoparlanti più popolari. Una nota: ci sono innumerevoli fattori che influenzano le prestazioni degli altoparlanti, inclusi il design e i materiali dei driver, il design e i materiali della custodia, il carico dei bassi della custodia, le pendenze del crossover, ecc. Tuttavia, questi non rientrano nell’ambito di questo articolo, che si occupa specificamente delle configurazioni dei driver. Per una comprensione più approfondita del funzionamento interno degli altoparlanti, consulta il Loudspeaker Design Cookbook o un altro lavoro di riferimento approfondito.

Unidirezionale (driver singolo, gamma completa)
Alcuni audiofili e revisori gravitano verso progetti a driver singolo perché ritengono che l’eliminazione del circuito crossover per dividere il segnale audio in bassi e alti produca una maggiore purezza sonora. Il problema è che questo ha un costo, che spesso è estremo. I driver full-range più grandi hanno una risposta alle alte frequenze irregolare e una dispersione estremamente scarsa negli acuti. Driver full-range più piccoli, come il 3,5 pollici utilizzato nell’altoparlante FTL Role Audio Sampan recentemente recensito qui, possono avere una risposta degli acuti abbastanza regolare e persino una dispersione compresa tra 5 e 7,5 kHz, quindi possono suonare bene, ma poiché le frequenze di risonanza di quei driver tendono ad essere 100 Hz o superiori, offriranno poca o nessuna risposta ai bassi. Rispetto a un discreto tweeter da un pollice, la loro risposta sugli alti non sarà così fluida e la loro dispersione non sarà così ampia.

Detto questo, nei prodotti a basso costo, i driver full range a volte sono la scelta migliore. Ricordo con affetto i sistemi Cambridge SoundWorks dal suono eccezionale ed economici progettati dal leggendario Henry Kloss, che presentavano altoparlanti full range da 2,5 o tre pollici in contenitori a forma di cubo, aumentati da un modulo bassi passa-banda economico ma efficace. Ho consigliato molte volte ai produttori di soundbar a basso prezzo di utilizzare driver singoli a gamma intera invece di woofer e tweeter separati; a quei prezzi, è quasi impossibile trovare un tweeter dal suono decente e includere un circuito crossover adatto.

Gli altoparlanti con piccoli driver full-range, come il Sampan FTL o il Kvart & Bolge Sound Sommelier (mostrato qui) hanno il loro fascino, spesso offrendo una risposta assolutamente piatta e una dispersione meravigliosamente coerente dalla gamma media inferiore agli alti bassi, che si traduce in una fluidità e riproduzione vocale naturale. Tuttavia, non suonano ariosi o spaziosi come un altoparlante con un tipico tweeter da un pollice, e non suonano molto forte o offrono molti bassi. Ma possono essere aumentati con un subwoofer.

Non vedo come gli altoparlanti che utilizzano driver singoli più grandi possano essere considerati prodotti ad alta fedeltà. Ad alcuni audiofili piacciono, ma da quello che posso dire, la loro attrazione è più filosofica che musicale. Le anomalie di risposta in frequenza e dispersione introdotte da questi diffusori sono facili da sentire e da misurare; quindi, secondo me, non esiste un modo credibile per chiamare il loro suono naturale o neutro. Alcuni di questi altoparlanti aggiungono un super-tweeter per una risposta degli acuti più estesa, ma la loro risposta in frequenza complessiva sarà comunque approssimativa e la loro dispersione stretta negli acuti inferiori e nei medi superiori.

Ci sono anche diffusori da pannello elettrostatici e magnetoplanari full-range, come quelli realizzati rispettivamente da MartinLogan e Magnepan. Si tratta di una questione completamente diversa perché irradiano il suono avanti e indietro, il che aiuta a contrastare i problemi di dispersione causati dalle grandi superfici radianti dei pannelli. Molti di questi altoparlanti utilizzano pannelli curvi per ampliare la loro dispersione. Non sono in grado di fornire bassi profondi ad alti volumi o il tipo di immagine focalizzata che un buon diffusore dinamico (ad esempio cones’n’domes) può produrre, ma ancora molti audiofili e revisori considerano questi diffusori tra i migliori disponibili in qualsiasi prezzo.

Gli altoparlanti a due vie (woofer/tweeter)
che combinano un singolo woofer e un singolo tweeter sono i più comuni e alcuni audiofili e revisori li considerano i migliori, citando spesso la massima "più semplice è meglio". Ancora una volta, tale nozione non si applica. Sì, gli altoparlanti a due vie sono in genere più semplici dei modelli a tre vie, ma tale semplicità richiede un compromesso che tende a verificarsi a frequenze comprese tra due e quattro kHz, dove l’orecchio è più sensibile.

Il problema con gli altoparlanti a due vie si verifica nel punto di crossover, la frequenza alla quale il suono viene trasmesso dal woofer al tweeter. Come discusso in precedenza, più grande è il woofer, più la sua dispersione inizia a restringersi alle frequenze più alte. Quindi, mentre si passa dalla gamma media agli alti, la dispersione si restringe quando ci si avvicina al punto di crossover, quindi si allarga di nuovo quando il suono passa al tweeter, che in genere ha un diametro di uno o 0,75 pollici e quindi disperde il suono ampiamente in l’ottava superiore degli acuti (tra 10 e 20 kHz).

Una soluzione è utilizzare un woofer più piccolo, nel qual caso sacrifichi la risposta dei bassi. Oppure puoi spostare il punto di crossover più in basso, in modo che il woofer non sia attivo alle alte frequenze. Ma poi inizi a sottoporre a stress eccessivo il tweeter, che probabilmente non ha abbastanza area radiante o escursione (movimento fronte-retro) per riprodurre quelle frequenze più basse.

Ovviamente, molti progettisti di altoparlanti hanno fatto questo compromesso con successo perché ci sono innumerevoli altoparlanti a due vie che suonano alla grande. Con poche eccezioni, preferisco altoparlanti a due vie con tweeter da un pollice e woofer non più grandi di 5,25 pollici, con punti di crossover inferiori a circa 2,2 kHz circa. Naturalmente, qualsiasi altoparlante a due vie può essere potenziato con un subwoofer.

Ci sono due eccezioni qui, però. Il primo è che alcuni driver per le alte frequenze hanno una risposta sufficiente nella gamma media da poter essere tranquillamente incrociati su un woofer a una frequenza più bassa, tipicamente tra 800 Hz e 1,5 kHz. Questi includono tweeter a tromba che utilizzano driver a compressione (non tweeter a cupola con una guida d’onda a forma di tromba), alcuni tweeter a nastro e pannelli elettrostatici e magnetoplanari. Ecco perché il design a due vie funziona bene, ad esempio, negli altoparlanti a tromba di JBL e Klipsch, nonché negli altoparlanti elettrostatici a due vie di MartinLogan.

L’altra eccezione è che i woofer di grandi dimensioni con massa mobile ridotta e alta sensibilità possono produrre una gamma media dal suono naturale e possono essere incrociati a frequenze relativamente alte. Spesso, il woofer avrà un bordo plissettato (la parte che collega il cono al cestello) invece del più comune bordo a mezzo rotolo. Con uno di questi, puoi ottenere un suono a gamma completa da un bidirezionale. Gli esempi includono i monitor professionali JBL M2 (mostrati qui) e gli altoparlanti DeVore Fidelity Orangutan.

A tre vie (woofer/midrange/tweeter)
La maggior parte dei designer di altoparlanti che conosco considera un design a tre vie la migliore scelta a tutto tondo. Un design a tre vie offre il vantaggio dei piccoli altoparlanti full-range descritti sopra: risposta in frequenza assolutamente piatta e dispersione costante attraverso la maggior parte della gamma vocale. Questo perché i punti di crossover sono generalmente compresi tra 300 e 600 Hz tra il woofer e la gamma media e tra 2,8 e quattro kHz tra la gamma media e il tweeter. Ottieni l’ampia dispersione di un tweeter da uno o 0,75 pollici senza preoccupazioni per la distorsione o il guasto del tweeter. Il progettista è anche libero di utilizzare un woofer più grande (o due o tre) per ottenere una risposta dei bassi più profonda. Un altoparlante a tre vie ben progettato è in grado di offrire un’elevata gestione della potenza, un suono estremamente naturale senza grosse anomalie di bilanciamento tonale e prestazioni misurate quasi perfette.

Questo non vuol dire che gli altoparlanti a tre vie siano perfetti in ogni modo, però. Sono comuni altoparlanti che utilizzano un driver di gamma media delle stesse dimensioni o leggermente più piccolo del woofer; suoneranno più forte degli altoparlanti con driver di gamma media più piccoli, ma in genere non forniscono quella dispersione della gamma media costantemente ampia. Inoltre, ho sentito alcuni altoparlanti a tre vie in cui il driver della gamma media è stato incrociato su un grande woofer a una frequenza troppo alta, il che rende le voci innaturalmente gonfie perché provengono da un grande woofer.

È anche difficile realizzare un altoparlante a tre vie a basso costo. Il progettista deve aggiungere il driver midrange, un involucro interno separato per il driver midrange, un involucro più grande in generale e in genere due o tre induttori aggiuntivi, due o tre condensatori aggiuntivi e un resistore aggiuntivo. Moltiplica il costo di queste parti extra per cinque o sei volte per ottenere l’aumento del prezzo al dettaglio, quindi aggiungi un po’ di più per una spedizione più costosa e inizi a capire perché ci sono pochi altoparlanti a tre vie con un prezzo inferiore a $ 400 al paio.

Una variante comune dell’altoparlante a tre vie è l’altoparlante a due vie e mezzo. Questo di solito impiega un tweeter e due o tre woofer corrispondenti. Il woofer più vicino al tweeter viene incrociato normalmente sul tweeter. I woofer sottostanti sono filtrati passa-basso, in genere da 300 a 800 Hz, quindi aumentano l’uscita dei bassi del woofer superiore ma rimangono principalmente fuori dalla gamma media. Se facessi scorrere tutti i woofer in parallelo, incrociandoli fino al tweeter, interferirebbero tra loro nella gamma media, producendo fasci sonori verticalmente stretti (chiamati "lobi") a determinate frequenze. Sebbene i design a due vie e mezzo forniscano più bassi rispetto ai modelli a due vie comparabili, presentano comunque le stesse sfide degli altoparlanti a due vie quando si tratta di selezionare il giusto punto di crossover tra woofer e tweeter.

Quattro e più
Una volta entrati nei modelli più costosi, gli altoparlanti a quattro e cinque vie diventano comuni. Per la maggior parte, questi sono fondamentalmente modelli a tre vie con un grande woofer aggiunto per bassi più profondi. Hanno tutti i vantaggi dei modelli a tre vie con ancora più bassi, ma a un costo maggiore. Un design a quattro vie è particolarmente vantaggioso per gli altoparlanti con crossover di primo ordine a causa delle sollecitazioni che sottopongono ai loro driver.

Ho appena scalfito la superficie di questo argomento qui e ti incoraggio a saperne di più leggendo l’LDC o un altro buon libro di riferimento sui relatori.