Casse acustiche a sospensione pneumatica per subwoofer: guida completa

Cassa, box o cabinet: qualunque nome usiate, dove installate il vostro altoparlante o subwoofer è fondamentale per le prestazioni finali. In questo articolo ci concentriamo sul tipo di cassa più semplice e tollerante da progettare e costruire: la cassa a sospensione pneumatica (sealed enclosure).

Le leggi della fisica

Ci sono alcune caratteristiche da tenere a mente per ogni altoparlante. La prima: al diminuire della frequenza, l'escursione del cono aumenta. Per produrre la stessa pressione acustica, un altoparlante deve muoversi quattro volte di più per ogni dimezzamento di frequenza. Esempio: se il subwoofer si muove di 1 mm a 80 Hz, dovrà muoversi di 4 mm a 40 Hz e di 16 mm a 20 Hz per lo stesso output.

Un altoparlante include un elemento chiamato centratura (spider). Questa immagazzina energia quando la bobina mobile sposta il cono in avanti o indietro dalla posizione di riposo. Quando il cono raggiunge la fine della corsa e si ferma, l'energia potenziale immagazzinata nella centratura vuole essere rilasciata, tirando il cono nella direzione opposta. Ogni trasferimento di energia include perdite, e infine il cono si ferma.

Pensate al movimento del cono come a un'altalena al parco. Date una spinta per avviarla, e continua a oscillare con ampiezza decrescente fino a fermarsi. Per fortuna, un altoparlante si ferma molto più velocemente.

In un altoparlante, questo trasferimento di energia tra cono e centratura è più efficiente a una frequenza specifica, chiamata frequenza di risonanza. A questa frequenza, l'impedenza aumenta drammaticamente perché la centratura immagazzina molta energia, facendo sì che il cono voglia continuare a muoversi. Il movimento della bobina nel campo magnetico genera una tensione che produce una corrente opposta a quella dell'amplificatore. Rappresentiamo questa opposizione come un aumento d'impedenza.

Inoltre, ogni altoparlante ha un limite di escursione del cono. Superarlo causa danni: il supporto della bobina può colpire la piastra posteriore, le sospensioni possono cedere. Come effetto collaterale, la distorsione armonica aumenta con l'escursione.

Il nostro obiettivo nella progettazione di qualsiasi sistema audio dovrebbe essere mantenere la distorsione più bassa possibile. La maggior parte della distorsione a bassa frequenza è risonanza. Queste risonanze diminuiscono salendo sopra la frequenza di risonanza. La centratura e la forza motrice variabile, mentre la bobina esce dal gap, sono i maggiori contributori alla distorsione.

Perché serve una cassa?

Consideriamo alcune caratteristiche aggiuntive. Il taglio alle basse frequenze di un altoparlante è un filtro passa-alto. La centratura è come un condensatore: una molla immagazzina energia, come un condensatore. L'aria dentro la cassa è anche una molla, in parallelo con la centratura. La molla d'aria e la centratura lavorano insieme nello stesso momento per fare la stessa cosa. La loro combinazione alza la frequenza del filtro passa-alto. Sì: contrariamente al nostro desiderio di riprodurre più basse frequenze possibile, una cassa limita la riproduzione dei bassi.

Se è così, perché vogliamo limitare il moto del cono? Considerate quanto escursione serve per riprodurre i bassi e la distorsione. Limitare l'uscita alle frequenze più basse non è l'obiettivo ideale, ma limitare alcune frequenze molto basse per ottenere la giusta quantità di bassi a frequenze più alte è vantaggioso.

C'è un vantaggio nell'aumentare la frequenza di risonanza del sistema altoparlante-cassa. Diciamo che abbiamo un subwoofer con Q 0.5 e vogliamo un Q di sistema totale 0.707. Scegliamo un volume d'aria che alzi il Q, aumentando l'uscita del sistema alla nuova frequenza di risonanza. Sacrifichiamo uscita alle frequenze più basse, ma guadagniamo uscita intorno alla nuova risonanza di sistema.

Voglio più bassi!

I design moderni degli altoparlanti continuano a ridurre la distorsione attraverso simulazioni al computer e modellazione del comportamento dei materiali. Progettisti qualificati possono simulare comportamento di centratura, cono e sospensione per analizzare risonanze e distorsioni individuali. Possono anche modellare l'interazione tra bobina mobile e struttura motrice per prevedere cambiamenti nel campo magnetico e induttanza che influenzano il suono a escursioni moderate/alte.

Questi progressi hanno portato ad altoparlanti con meno distorsione ad alte escursioni, permettendo ai progettisti di casse di costruire sistemi che suonano più basso e più forte.

Alcuni principi base governano la riproduzione dei bassi. L'area del cono è cruciale. Un vecchio articolo AES "The Problem with Low-Frequency Reproduction" di Saul J. White includeva un grafico che confrontava escursione vs frequenza vs output per altoparlanti da 12 e 15 pollici. Mostrava che un cono da 15 pollici deve muoversi solo la metà di uno da 12 per lo stesso output.

Per produrre suono, dobbiamo spostare aria. Lo spostamento si calcola come area del cono per distanza di corsa. In altri termini, alesaggio per corsa. Per lo stesso spostamento, più alesaggio richiede meno corsa.

La conclusione? Se volete più volume, comprate più altoparlanti o subwoofer.

Comportamento del driver in cassa

L'aumento del Q di sistema causato dall'aggiunta di rigidità d'aria nella cassa può causare distorsione se il Q aumenta eccessivamente. Questo va contro il nostro desiderio di un sistema a bassa distorsione. Una cassa troppo piccola alza troppo il Q, creando un sistema che produce molto output in una gamma frequenziale stretta. Queste casse sottodimensionate sono spesso chiamate "one-note-wonders" (meraviglie a una nota).

Causa? La qualità "a una nota" deriva dall'aumento di immagazzinamento e trasferimento di energia nel sistema risonante. Il basso continua e continua, come la nostra altalena al parco.

Gestione della potenza

In una cassa a sospensione pneumatica, l'escursione del cono aumenta al diminuire della frequenza. Questo continua fino alla frequenza in cui la forza della centratura e della cassa supera quella del motore. A quel punto l'escursione è limitata e non vediamo ulteriori aumenti. Risultato: proteggiamo l'altoparlante da danni fisici per escursione oltre le specifiche di progetto.

Prevedere i limiti di escursione rispetto a frequenza e potenza è relativamente semplice per una cassa sealed. Il volume della cassa è inversamente proporzionale alla potenza che l'altoparlante può gestire dal punto di vista dell'escursione. Una cassa piccola limita molto l'escursione a frequenze molto basse, ma il sistema non produce molti bassi profondi. Una cassa grande permette al cono di muoversi di più e produrre più bassi, ma non possiamo pilotare l'altoparlante con troppa potenza per paura di danneggiarlo.

Man mano che aumentiamo il volume della cassa del subwoofer, l'aria all'interno ha meno "effetto molla" sul moto. Questo grafico mostra l'aumento dell'escursione del driver all'aumentare del volume d'aria in quattro diverse casse.

Panoramica sulla sospensione pneumatica

Una cassa a sospensione pneumatica riduce l'uscita dei bassi a -12 dB per ottava sotto la frequenza di risonanza. Combinando questo roll-off con il guadagno d'abitacolo tipico dei veicoli, si ottiene un'estensione lineare in frequenza ben nella regione infrasonica. Le casse a sospensione pneumatica sono facili da calcolare e costruire. Sono molto tolleranti a piccoli errori nel calcolo del volume.

Infine, vale la pena ricordare che le casse a sospensione pneumatica non sono i design a minor distorsione disponibili.

Quando è il momento di progettare una cassa per subwoofer per la vostra auto o camion, visitate il vostro rivenditore specializzato in elettronica mobile e discutete le vostre esigenze. Vi aiuteranno a scegliere un subwoofer e un design di cassa che darà una base solida al vostro sistema audio.