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Suonate passivi?

Attivatevi! - Prima Parte

[Dentro gli attivi!]
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Autore: Mark Wheeler - TNT UK
Scritto: Marzo-Giugno, 2006
Data pubblicazione: Ottobre 2006
Traduttore: Roberto D'Agosta

Cosa è un "diffusore passivo"?

La maggioranza dei diffusori dell'audio domestico sono trasduttori "passivi": la loro funzione è di convertire un segnale elettrico che arriva ai loro terminali in un'onda acustica che si propaga fino alle nostre orecchie. In teoria il diffusore dovrebbe essere neutro non aggiungendo nulla al segnale durante questo processo. In realtà con un'efficienza di conversione ad una cifra (tipicamente 1-4 %), i diffusori passivi disperdono vanamente la maggior parte dell'energia elettrica tanto faticosamente prodotta dall'amplificatore; non c'è guadagno in un diffusore passivo, solo varie gradazioni di perdita.

Cosa è un "diffusore attivo"?

Il termine "diffusore attivo" indica oggigiorno qualsiasi sistema di altoparlanti che contenga il proprio amplificatore, come per esempio i sistemi per computer o iPod, ma in precedenza si riferiva esclusivamente a sistemi di altoparlanti che dividevano, usando un crossover attivo, le frequenze da inviare ad ogni altoparlante prima dell'amplificazione di potenza. Qualche anno fa la Wharfedale lanciò i diffusori "Active Diamonds" che racchiudevano un amplificatore ed un crossover passivo nel cabinet del diffusore, ma precedentemente il termine "sistema attivo" indicava un sistema in cui una rete di crossover separava le bande di frequenza a livello di voltaggio line-level ed in seguito amplificatori di potenza separati erano usati per ogni altoparlante.

Esatto. Un canale di amplificazione per ogni banda di frequenza o anche per ogni singolo altoparlante se il sistema ha solo un woofer, un midrange ed un tweeter per canale. Questo rimpiazza l'usuale rete di filtri crossover tra l'amplificazione di potenza e le unità di trasduzione. In questo articolo in due parti si discuteranno le ragioni per cui dividere le frequenze nel dominio dei milli-Volt (tra il preamplificatore e i trasduttori) sia meglio che dividerle nel dominio dei volt (dopo l'amplificazione di potenza).

Nell'ambito professionale, il crossover attivo ha dominato per diversi anni il mercato dei diffusori PA e monitor a partire dalla fascia di qualità modesta. Dato che l'attrezzatura pro deve generare un ritorno economico che giustifichi la spesa agli occhi di un contabile, la diretta conseguenza è stata che i diffusori attivi rappresentano una soluzione di trasduzione molto efficiente ed economica.

I problemi del crossover passivo

I problemi intrinseci del crossover passivo sono aggravati da quelle priorità musicali che stabilirono un'assoluta egemonia sin dagli anni sessanta. Agli albori c'era molta varietà nella progettazione e molto interscambio tra il mercato professionale e quello domestico: infatti le case costruttrici avevano così poche linee di produzione che aveva perfettamente senso cercare di vendere in entrambi i mercati.

Quando iniziai ad interessarmi a questo hobby scrissi a tutti i costruttori ed importatori di cui avessi avuto sentore, principalmente per richiedere opuscoli e cataloghi, solitamente fingendo di essere più grande dei miei 13 anni. Spesso, insieme agli opuscoli, ricevevo anche qualche descrizione del brevetto o del progetto ed è da lì che iniziai ad imparare. Notai anche che le grosse compagnie americane del settore pro, come per esempio JBL, parlavano di come i loro progetti riducessero la distorsione (come i moderni amplificatori del tempo) oppure parlavano delle loro innovazioni nell'insieme dei motori (magnete, centratore e avvolgimento) dei loro prodotti.

Alcune compagnie britanniche mettevano l'accento sulla loro capacità di ridurre la colorazione indotta dal cabinet e dai coni attraverso delle tecniche di perdita. Altre scrivevano della rigidità dei loro coni e della linearità dell'insieme, mentre altre ancora della coincidenza di fase al punto di crossover. Raggiunsi presto lo stadio in cui avrei voluto avere l'insieme dei motori di un costruttore, con i coni di un altro nel cabinet di un terzo: i miei giorni dell'autocostruzione (DIY, do it yourself, fallo da solo, n.d.t.) erano cominciati!

Una delle differenze maggiori tra le priorità britanniche ed americane era l'importanza di una risposta in frequenza piatta. Gli americani tendevano a parlare di "gamma di frequenze" in una vaga promessa di una larga ampiezza di banda, mentre i britannici offrivano risposte in frequenza ai piccoli segnali scientificamente definite con limiti chiaramente specificati. Sfortunatamente il cammino per ottenere tutto questo con crossover passivi passava per complicati diffusori a molte vie con una crescente complessità dei filtri: tutto questo risulta presso certi costruttori, in una non soddisfacente risposta ai transienti e in improvvisi sbalzi di fase attraverso quella ultrapiatta risposta in ampiezza. Ebbi per un certo periodo dei diffusori monitor a 4 vie che ricercavano così ostinatamente una risposta piatta al millimetro oltre i 20kHz che la vendita del solo rame di cui era fatta la scheda del crossover avrebbe reso un sacco di soldi: il suono invece era semplicemente soffice ed indefinito. Alcune dei vecchi componenti, la cui fotografia appare in questo articolo, appartengono a quei crossover.

[Qualsiasi resistenza è inutile!!]
Qualsiasi resistenza è inutile

Portiamo subito allo scoperto una delle più vecchie dispute del mondo dell'Hi-Fi: "back EMF". Sia che la "back EMF" (back "electro-motive-force" o voltaggio; forza elettro-motrice in Italiano, è il campo elettrico che un circuito sente quando si muove all'interno di un campo magnetico, n.d.t.) abbia qualche effetto sul suono, sia che il bi-wiring riduca questo fenomeno, in ogni caso i crossover passivi sono responsabili nel creare ed aggravare questo fenomeno. Se, dopo che il segnale è cambiato, la massa inerziale del cono continua a muovere la bobina all'interno del magnete per qualche microsecondo, ci sarà una differenza di potenziale generata poiché la bobina è chiusa su un circuito. Questa differenza di potenziale sarà generata e separata in proporzione alle resistenze locali del circuito. Il circuito è il crossover passivo ove la back EMF (se esiste) si combinerà con il segnale in ingresso in una relazione che non ha nulla di lineare. Questa non è distorsione di ordine pari, né di ordine dispari né di ordini successivi, questa è DISTORSIONE DISORDINATA (per coniare un'espressione!). La bi-amplificazione passiva, cioè l'uso di canali di amplificazione diversi ma con un crossover passivo per ogni altoparlante, potrebbe rappresentare una mezza soluzione: tuttavia anche in questo caso della back EMF spuria si aggiungerà al segnale dell'amplificatore attraverso resistenze, induttanze e condensatori del crossover passivo generando ancora della distorsione non lineare. Il problema si risolve soltanto eliminando il crossover passivo.

Nella configurazione attiva le unità o i trasformatori d'uscita sono connessi direttamente ai terminali degli altoparlanti. Perciò il fattore di smorzamento (damping factor) o in maniera più accurata il rapporto tra l'impedenza dell'altoparlante e l'impedenza d'uscita dell'amplificatore, ha l'effetto desiderato, proprio come, quando il segnale ancora non è stato amplificato, la piccola impedenza della sorgente si accoppia con l'alta impedenza di ingresso, per un basso rumore ed una larga ampiezza di banda.

Solitamente nei crossover passivi grosse induttanze sono messe in serie con l'altoparlante dei bassi. Induttanze più piccole possono essere in parallelo con l'altoparlante degli alti ed alcune induttanze possono essere in parallelo o in serie con l'altoparlante dei medi. Anche tenendo da parte la resistenza lineare e l'induttanza di questa unità, ci sono effetti di distorsione non lineare anche più dannosi. Siano esse avvolte in aria, con nucleo in ferrite, laminate alluminio-ferro, con i fili piatti o d'argento o di tipo litz, ricoperte con polvere di stelle, non sono altro che GROSSI AVVOLGIMENTI DI METALLO. Come si costruisce un fornello elettrico? Con un grosso avvolgimento di filo, ecco come! Quando un conduttore si scalda la sua resistenza cambia per cui una qualsiasi induttanza è, di fatto, essenzialmente un compressore temporalmente ritardato ai livelli dei voltaggi dei diffusori; a piccoli segnali un'induttanza è più lineare di un condensatore, ma le condizioni all'interno di un cabinet di un diffusore sono di certo molto più ostili.

Quando segnali di alta intensità passano, succede qualcosa di ancora peggiore. Il campo magnetico generato può saturare il nucleo in ferrite, causando un fragoroso "crack" a picchi molto alti e un piccolo frizzo sui picchi più bassi. Tutto ciò è facile e divertente da testare con un esperimento. Le induttanze avvolte in aria non si comportano in questo modo ma hanno bisogno di più avvolgimenti di filo per raggiungere lo stesso valore nominale: questo incrementa la resistenza in corrente continua e rende più serio il problema del riscaldamento (ho misurato oltre 2 Ohm in un diffusore commerciale da 8 Ohm di cui la resistenza della bobina era di 6 Ohm: questo implica che un terzo della potenza dell'amplificatore era dissipata in calore nel crossover). La resistenza e la gestione della potenza possono essere migliorate con fili di sezione maggiore, da qui la ragione delle grosse bobine comuni in crossover di una certa qualità.

Il campo magnetico generato da ogni induttanza indurrà una differenza di potenziale in ogni altra induttanza posta sullo stesso piano sulla scheda del crossover. Questo genera altra distorsione non lineare, e se il crossover può vibrare, cosa che sicuramente accade all'interno del cabinet di un diffusore, si genera ulteriore distorsione. Quindi nessun diffusore con una pretesa di qualità dovrebbe ospitare il crossover passivo all'interno della camera dei bassi.

[Quantità gigantesche di filo!]
Chilometri e chilometri di filo e nessuna polverina magica in vista!

Resistenze? Molte hanno gli stessi problemi delle induttanze con in più capacità parassite ed alcune hanno anche un carattere induttivo. E il loro gradiente di temperatura varia... ecc ecc...

I condensatori sono da lungo tempo uno degli argomenti di discussione preferiti nei circoli audiofili. A grandi livelli di segnale nei diffusori ci sono ulteriori problemi: provate a connettere un condensatore del crossover all'uscita di un amplificatore (accertatevi di non danneggiare l'amplificatore!) e suonate un po' di musica attraverso il condensatore. Lo sentite? Il condensatore produce un suono che si aggiunge alla distorsione non lineare del filtro passivo.

Il massiccio stadio di uscita degli amplificatori di potenza a stato solido è necessario principalmente per pilotare il crossover passivo. Il sovradimensionato trasformatore d'uscita dei comuni amplificatori single ended (diversamente da quello che succede ai loro confratelli che devono far suonare un altoparlante singolo) deve essere in grado di gestire gli improvvisi cambi di fase dei crossover passivi. Inoltre i complicati circuiti di feedback degli amplificatori a triodo o pentodo push-pull sono necessari per ridurre l'impedenza d'uscita ad un livello sufficientemente basso da interfacciarsi linearmente con le reti dei filtri reattivi a molte vie. Gli amplificatori potrebbero essere molto più semplici (ed economici!) se dovessero pilotare solamente un'altoparlante per ciascuno.

Con tutta questa pletora di problemi, c'è di che meravigliarsi se qualcuno ha pensato che i crossover passivi vadano usati in qualsiasi cosa che sia di livello superiore ad una Dansette portatile (le Dansette sono quelle radio/giradischi/lettori di cassette portatili abbastanza comuni negli anni 60/70, seguite questo link per averne alcuni esempi, n.d.t.). Con la moderna amplificazione digitale, più economica, per canale, dell'ammasso di elettronica nei crossover passivi, è ormai venuto il tempo di seppellire i crossover passivi insieme alle puntine di legno e ai lettori di cassette.

Bill Dyer, un esperto dell'audio professionale e fondatore della Dyer Digital Audio Systems commenta che: "molti diffusori soffrono di risonanze, causate dalle induttanze dei crossover; immagazzinano energia che viene rilasciata lentamente distruggendo completamente il carattere del suono originale. Si preferisce l'estensione in basso delle frequenze alla distorsione: tutti gli strumenti a percussione suonano come se emanassero da una grossa scatola di cartone."

I diffusori a tre vie hanno filtri passivi di crossover anche più complicati e quindi traggono ancor maggior beneficio dalla multi-amplificazione. I filtri ad alta pendenza (i filtri di ordine superiore al primo) hanno più componenti rispetto a quelli del primo ordine e quindi anche loro traggono ancor più beneficio. Il più semplice filtro di crossover del quarto ordine a due vie non può aver meno di 4 condensatori e 4 induttanze in ogni diffusore; quello più semplice del secondo ordine a 3 vie deve avere lo stesso numero di componenti, anche assumendo che l'impedenza e la sensibilità di ogni altoparlante sia la stessa e sia lineare nella banda passante. Il mondo reale è però di gran lunga più complicato di queste esemplificazioni, e mi è capitato di vedere un filtro di crossover del primo ordine molto complesso per poter gestire insieme due altoparlanti.

Gli svantaggi di un filtro di crossover passivo super-semplificato (per esempio un solo condensatore per il tweeter) sono equivalenti sotto molti punti a quelli che abbiamo già descritto. Praticamente è impossibile progettare un altoparlante meccanicamente perfetto per cui un filtro è necessario per evitare che l'altoparlante risponda a frequenze troppo alte che ecciterebbero delle risonanze senza produrre alcuna uscita lineare (al massimo del range dei medio-bassi); un semplice filtro del secondo ordine migliorerà la colorazione delle medie frequenze di molti diffusori. L'alternativa meccanica sarebbe un filtro meccanico composito da diversi materiali: questi aggiungono massa alla parte mobile dell'altoparlante e il loro effetto dipende anche dalla temperatura. I filtri passa alto di basso ordine dei tweeter non bloccano abbastanza le basse frequenze di grossa ampiezza causando come minimo una distorsione da intermodulazione, quindi distorsione da sovraccarico prima di fondere la bobina con i continui alti livelli di segnale.

Con un filtro di dolce pendenza la regione di sovrapposizione in cui sia l'altoparlante dei bassi che quello degli alti sono ancora al lavoro è abbastanza ampia e questo genera interferenza. Un filtro del primo ordine è solo 6db più in basso, lontano un'ottava, dal punto di crossover. Quindi per un crossover a 2kHz in un diffusore da 90 db, l'unità del basso emette ancora 84 db a 4kHz ed interferisce costruttivamente o distruttivamente con il segnale degli alti. Similmente il treble combatte ancora con un segnale di 84db a 1kHz, pericolosamente vicino alla sua frequenza di risonanza principale. Quindi semplificare al massimo i filtri di crossover passivi non è abbastanza...

[E per condensare tutto...]
Se c'entra il condensatore...

Ci sono altri problemi "passivi"?

Le frequenze ad un paio di ottave da entrambe le parti della regione di crossover sono soggette a grossi spostamenti di fase attraverso il crossover passivo, richiedendo quindi che la corrente e il voltaggio dell'amplificatore non siano forniti nella rilassante e confortevole relazione lineare che ci si aspetterebbe per una bella resistenza di 8 Ohm nominali. E' difficile dire chi alla fine fatichi di più: l'amplificatore che tenta di fornire la potenza uniformemente distribuita nella banda di frequenze o gli altoparlanti di cui l'impedenza saltellante non è ben accoppiata da una bassa impedenza d'uscita dell'amplificatore. Infatti l'altoparlante si trova di fronte un'impedenza d'uscita che è la somma di quella dell'amplificatore e del crossover.

Tutti gli amplificatori devono perciò essere progettati per trattare con tutto l'insieme di possibili, selvagge, anomalie dell'impedenza del crossover. Questa è la ragione per cui la riuscita di alcune combinazioni amplificatore-diffusori dipende così tanto dalla sinergia tra i componenti. Per esempio il progettista di un amplificatore a triodi single ended deve scegliere se massimizzare lo swing della valvola d'uscita, sperando che il compratore si decida per un diffusore a una via senza crossover (come i Lowther), o ridurre il voltaggio a disposizione per permettere di gestire il grosso spostamento di fase richiesto dai convenzionali diffusori a due vie. Se tutti i diffusori si comportassero come oneste resistenze lineari non ci sarebbe bisogno di mostri di amplificatori con gigantesche correnti istantanee. In realtà il compito principale degli amplificatori domestici è di pilotare la folle curva di impedenza determinata dal crossover.

Infine, il più comune argomento a favore dei crossover attivi è che essi operano a correnti e voltaggi più bassi dei loro corrispondenti passivi. Un sacco dell'energia degli amplificatori serve in realtà a scaldare i componenti del crossover invece che a muovere dell'aria. Le diverse sensibilità degli altoparlanti sono accoppiate alle resistenze dei crossover passivi: quale spreco di costosa potenza di amplificazione! Nei crossover passivi, le curve di impedenza degli altoparlanti sono spesso tenute sotto controllo con delle reti di Zobel che contengono delle resistenze che dissipano, sprecandola, parte dell'energia. Inoltre è più difficile e costoso costruire un grosso condensatore con una bassa resistenza equivalente e bassa distorsione piuttosto che uno piccolo. Si ha bisogno di un più grosso condensatore per gestire la stessa frequenza con 8 Ohm piuttosto che con una resistenza di 20 kOhm. E quel gigante deve anche gestire grossi voltaggi e correnti: costa di più; distorce di più; il suo valore di tolleranza nominale è più difficile da ottenere.

L'impedenza di un altoparlante è molto meno predicibile della resistenza d'ingresso di uno stadio di guadagno. Quando la bobina di un altoparlante si scalda o raffredda la sua resistenza cambia drasticamente per cui la frequenza di crossover di un crossover passivo cambia di conseguenza. La risposta in frequenza di un diffusore con un crossover passivo misurata a 2 V sarà diversa da quella misurata a 1 V e completamente diversa rispetto a quella misurata a 10 V: tutte queste condizioni si possono verificare durante la stessa canzone!

Conclusioni

Eccetto per il costo e per gli interessi dei costruttori nel continuare a persuadere gli entusiasti a comprare un nuovo amplificatore, quindi una nuova coppia di diffusori, un nuovo amplificatore... ecc ecc all'infinito, non mi viene in mente alcuna ragione per cui l'audio domestico rimanga fedele a questa maldestra tecnologia.

Anche con amplificatori modesti e con diffusori di modeste dimensioni, la mia esperienza mi dice che la stessa quantità di soldi è meglio spesa per un sistema attivo. Non appena un sistema raggiunge il livello di pre-amplificatore + amplificatore che sia a stato solido, classe D, valvolare push-pull o triodo single ended, il passo successivo dovrebbe essere un crossover attivo per accoppiarsi a quella tecnologia più ovviamente un altro amplificatore di potenza...

Un po' di musica che mi sono goduto di più con dei diffusori attivi

Registrazioni Test che enfatizzano le differenze

A breve sarà disponibile la Parte II di questa introduzione ai diffusori attivi.

Copyright 2006 Mark Wheeler - www.tnt-audio.com

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