[Autocostruzione] Crossover passivi nell'era del DSP

E così, caro lettore: dopo aver assemblato uno o più kit di diffusori, probabilmente rimanendone deluso, hai deciso di prendere in mano il tuo destino di audiofilo e fare il grande passo: costruire il tuo primo diffusore da zero, scegliendo cabinet e componenti a tuo gusto. Bene, bene... non hai idea del ginepraio in cui ti stai cacciando!! Ma se questa mia affermazione non ti ha scoraggiato (spero di no, caro lettore, perché costruire diffusori è, almeno per me, l'ambito più divertente dell'autocostruzione), prosegui nella lettura di questo articolo perché l'ho scritto proprio pensando a te.

Vorrei partire chiarendo che non appartengo al “partito dei componenti passivi”. Uno dei pochi impianti che ho davvero apprezzato al Milano Hi-End 2024 utilizzava proprio un crossover DSP (d'ora in avanti DSP). Detesto inoltre l'abitudine - diventata ormai regola - di polarizzare ogni argomento in fazioni opposte: non fa altro che impoverire il dibattito e la qualità delle opinioni. Detto ciò, credo che i crossover passivi possano ancora offrire vantaggi concreti, che provo a riassumere:

Semplicità ed economicità: non servono più finali, cavi e ovviamente DSP. Non tutti gli autocostruttori impiegano finali economici e, a fronte anche della spesa impiegata per questi, non vogliono comprarne altri parimenti costosi o affiancarne altri più economici.

Qualità del segnale: se il DSP è di qualità scadente, perché anche in questo settore ovviamente ci sono componenti più validi e altri meno, può introdurre rumore e distorsione. Inoltre non tutti gli audiofili sono a loro agio, e nel caso di dsp di scarsa qualità a ragione, all'idea di convertire un segnale analogico in digitale per poi convertirlo nuovamente in analogico e preferiscono affidarsi ai componenti passivi.

Riduzione della dipendenza dal carico: anche se un DSP può correggere la risposta acustica finale, non può intervenire sulla dipendenza elettrica dal carico, particolarmente marcata in molti OTL, in altri amplificatori minimalisti ma anche in alcuni amplificatori in classe D. In questi casi, l'uso di componenti passivi, come ad esempio una rete correttamente dimensionata, può contribuire a rendere il carico più regolare dal punto di vista elettrico alle alte frequenze, migliorando la stabilità e l'accoppiamento con amplificatori sensibili alla variazione d'impedenza.

La frequente affermazione “uso il DSP posso fare quello che voglio” non è propriamente corretta. Senza addentrarci in considerazioni troppo tecniche che non competono al taglio di questa serie di articoli, nemmeno il miglior DSP al mondo potrà colmare interamente le lacune dei nostri ambienti di ascolto o dei nostri diffusori e altoparlanti. Indubbiamente potremo linearizzare maggiormente la risposta in frequenza ma continueremo ad ascoltare bassi gonfi e lenti in caso di una disposizione sbagliata dei diffusori nel nostro ambiente o le risonanze dei nostri diffusori e dei nostri altoparlanti e in alcuni casi aggiungere colorazioni.

Infine, poiché la realtà non è mai bianco o nero, un crossover passivo non è incompatibile né con un crossover attivo, né con una processazione digitale del segnale, anzi, possiamo combinare i vantaggi dei due mondi. In un diffusore a tre o più vie, può essere una buona idea tagliare la via bassa attivamente, lasciando il “lavoro sporco” al woofer o al subwoofer, pilotati da un finale muscoloso ma non necessariamente hi-end, perché le basse frequenze sono quelle che più beneficiano della correzione digitale e contemporaneamente quelle a cui siamo meno sensibili in termini di distorsione. Inoltre, come ci insegna il nostro vecchio scriba, le vie medie e alte richiedono riserve di corrente inferiori rispetto ai bassi, permettendoci così di concentrarci maggiormente sulla raffinatezza. Nulla vieta, infine, di usare un processore digitale a monte dei nostri diffusori passivi per effettuare una correzione ambientale: è sufficiente un computer con CamillaDSP installato e una buona uscita audio, ma questo potrebbe essere materiale per un altro articolo.

Un'ultima considerazione prima di addentrarci nella foresta della progettazione di crossover passivi, armati di machete e con lo zaino pieno di kit di pronto soccorso, razioni K, resistenze, condensatori e induttanze: questa serie di articoli è pensata per guidare chi desideri iniziare a progettare crossover passivi da zero o voglia migliorare le proprie competenze, facendolo con una spesa in apparecchiature nulla o limitata (dando per acquisito un PC). Se invece sei già un progettista di chiara fama o disponi di microfoni lineari fino a millemila hertz e di una camera anecoica... scrivimi! Voglio diventare il tuo nuovo migliore amico. Questa trattazione, inoltre, non ha la pretesa di essere esaustiva su un tema così vasto e complesso, ma vuole rappresentare una guida snella, integrabile con letture di approfondimento (come Loudspeaker Design Cookbook di Vance Dickason) ed eventualmente con videotutorial relativi ai programmi di cui parlerò, anche se si tratta di strumenti generalmente intuitivi e spesso corredati da una documentazione ben realizzata.

Il crossover

Iniziamo fissando un punto fondamentale: il crossover è una parte centrale del progetto di un diffusore, quasi quanto la costruzione del box e la scelta degli altoparlanti. Un buon crossover, insieme alla disposizione fisica degli altoparlanti, deve far sì che questi ultimi lavorino insieme come se fossero un'unica sorgente sonora, più facile a dirsi che a farsi.

In alta fedeltà, nonostante il complotto di lobotomizzazione a danni dell'audiofilo, messo in atto da anni da commercianti e produttori di componenti esoterici, DOMINA il progetto. Con questo intendo dire che un diffusore realizzato seguendo un progetto sano, con componenti dignitosi, suonerà senz'ombra di dubbio meglio di uno costruito secondo formule standard ma con componenti esoterici. Quindi, tanto vale concentrarci, almeno nella fase iniziale, sul progetto.

Nel paragrafo precedente ho introdotto il tema che mi sta più a cuore: la raccolta firme per la petizione di abolizione delle formule fisse per i crossover, che presto TNT-Audio lancerà per portarla al Parlamento europeo, nella speranza che anche i paesi extra-UE seguano a ruota questo buon modello. Parlando con autocostruttori, incontrati personalmente o virtualmente, mi sono accorto che questo approccio anni '80 e '90 è ancora molto in voga. Le varie formule (Bessel, Butterworth, Linkwitz-Riley) sono dei modelli teorici e vanno considerati come tali: validi per altoparlanti ideali - risposta in frequenza piatta, impedenza perfettamente lineare - condizioni che nessun altoparlante reale soddisfa, indipendentemente da quanto gonfio sia il tuo portafoglio. Per questo motivo, utilizzare i famosi valori “standard” di crossover, o peggio ancora i crossover pre-assemblati che si trovano su internet, non può condurre a risultati soddisfacenti.

Quindi caro lettore unisciti anche tu alla lotta a questo male anacronistico che affligge ancora oggi molti autocostruttori: firma la petizione e partiamo insieme dai dati reali degli altoparlanti.

FRD e ZMA: i dati fondamentali

Per progettare un crossover sono necessari due tipi di file, qui di seguito denominati con la loro estensione:

.FRD (Frequency Response Data): contiene la variazione dell'emissione di un altoparlante al variare della frequenza: la celeberrima risposta in frequenza. Qui sotto trovi l'esempio della risposta in frequenza in asse di un tweeter a compressione con una tromba SEOS12.

.ZMA (Impedance Magnitude & Angle): contiene la variazione dell'impedenza - modulo e fase - del driver al variare della frequenza. Stesso driver e stessa tromba

Solo disponendo di questi due file è possibile ricostruire in modo attendibile il comportamento reale dei trasduttori e simulare l'effetto del crossover prima ancora di costruirlo. Questo consente oggi un livello di previsione che, fino a non molti anni fa, era fuori dalla portata dell'autocostruttore. Nella mia esperienza, quando le misure sono eseguite correttamente e riferite al sistema reale, lo scarto tra simulazione e risultato finale può rimanere entro circa 1 dB, arrivando a 2 dB nei casi peggiori.

Ma allora dove trovare questi miracolosi file FRD e ZMA? Ci sono fondamentalmente tre strade, caro compagno autocostruttore:

1) In rete molti appassionati hanno già misurato numerosi altoparlanti e hanno reso gratuita la fruizione di questi file, ottime risorse sono: loudspeakerdatabase (che fornisce file equivalenti a FRD e ZMA per l'uso in VituixCAD e in alcuni altri programmi compatibili) e diyaudio. Fino a qualche anno fa un'eccellente risorsa gratuita era l'italiana dibirama. Oggi, per scaricare i file degli altoparlanti del loro database è necessario un abbonamento annuale di circa 25 euro. Il loro catalogo è in continua espansione e il metodo di misurazione è condotto in maniera molto meticolosa (non sempre quello degli appassionati lo è).

2) Il secondo metodo è quello di avvalersi di un semplice programma come fpgraphtracer o la funzione SPL tracer (forse il più preciso tra i due) di VituixCad 2. Grazie al loro impiego sarà per noi sufficiente ottenere le immagini della risposta in frequenza e dell'impedenza dei driver (tutti i produttori seri di altoparlanti forniscono questi dati più o meno abbelliti) per convertirle rapidamente in file FRD e ZMA. Questo metodo non ci permette di contare sul massimo livello di precisione possibile ma per i primi progetti andrà bene. Nell'immagine in basso sono cerchiate in giallo le operazioni principali da eseguire, in questo caso applicate all'immagine della risposta in frequenza di un Ciare HW210, un driver che ha le carte in regola per svolgere il ruolo di sezione dei bassi in un dipolo non molto efficiente ma affascinante ed economico. Il produttore fornisce soltanto la risposta in asse; in questo caso non è una limitazione critica perché, nell'applicazione ipotizzata, il driver verrà utilizzato solo nella porzione di banda in cui il suo comportamento direttivo è praticamente omnidirezionale.

Lo stesso procedimento illustrato si applica anche per le misurazioni fuori asse (quando disponibili) e per l'impedenza. In questo caso ho usato fpgraphtracer ma il funzionamento di SPL tracer è identico. Segui questi passaggi:

Trascinare le barre limitatrici sui limiti degli assi X e Y: queste barre viola delimitano i valori minimo e massimo della misurazione. L'asse orizzontale corrisponde alla frequenza e l'asse verticale ai dB o agli Ohm dell'impedenza.

Regolare i limiti e selezionare il tipo di scala: imposta i valori minimi e massimi per entrambi gli assi in modo da coprire correttamente l'intera curva. Tipicamente l'asse delle frequenze è impostato logaritmico (in questo caso 20Hz-20kHz) e l'asse dei decibel lineare (60-110 dB).

Rilevare la curva: clicca con il tasto sinistro del mouse direttamente sopra di essa: il programma registrerà automaticamente i punti della curva e la colorerà di fucsia, come mostrato nell'immagine sottostante. Controlla che la visualizzazione corrisponda all'immagine originale della risposta in frequenza; potrebbero essere necessari più tentativi per ottenere una curva precisa.

Esportare il file: salva il file nel formato .FRD quando rilevi la risposta in frequenza e .ZMA quando invece rilevi l'impedenza. File, save data, nominare il file e selezionare il formato corretto.

3) Il terzo metodo infine è quello di misurare i driver. Vogliamo effettuare noi stessi le misurazioni quando desideriamo lavorare con la massima precisione possibile, misurando direttamente i driver montati nel box che gli avremo tanto amorevolmente preparato. Questo permette di osservare: gli effetti del pannello frontale del nostro diffusore, le interazioni dovute al montaggio in box, la risposta nel nostro ambiente di ascolto, i tagli reali del nostro crossover e molti altri aspetti che per il momento lasciamo da parte.

Le misure richiedono un'attrezzatura di base ma forniscono un vantaggio nella progettazione e sopratutto nella messa a punto. È chiaramente la via migliore, ma se sei alle tua prima realizzazione e non vuoi mettere troppa carne al fuoco, puoi evitare la spesa necessaria per l'apparecchiatura, anche se non è poi così alta, inoltre nessuno ti vieta di fare le misurazioni ed eventualmente correggere o sviluppare ulteriormente il crossover in un secondo momento. Chi preferirà procedere per gradi potrà saltare il prossimo articolo o rimandarne la lettura. Questo, naturalmente, a meno che tu non voglia costruire un diffusore in configurazione baffleless: in questo caso, il microfono è obbligatorio... insieme a un notevole spirito di avventura!!!

Come passare dalla simulazione alla realizzazione fisica e all'eventuale verifica strumentale.

L'obiettivo è fornire un metodo chiaro e ripetibile che permetta a chiunque di costruire crossover passivi, evitando di affidarsi a formule generiche o tentativi casuali.

Nel prossimo articolo entreremo nel vivo di un tema delicatissimo: come eseguire correttamente le misure necessarie. Preparate i microfoni!!!

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Crossover passivi nell'era del DSP

Mini-guida per autocostruttori e petizione contro l'uso inconsapevole delle formule fisse nei crossover

Introduzione

Il crossover

FRD e ZMA: i dati fondamentali