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Tipologie di caricamento 1. Premessa Negli altoparlanti il suono viene prodotto dal movimento di una membrana. Qui iniziano subito i problemi perché vengono prodotti due fronti d'onda sonora: uno dalla parte anteriore della membrana, l'altro dalla parte posteriore. Purtroppo, questi fronti d’onda sono in controfase, col risultato che se provassimo a far suonare a basse frequenze e senza cassa un tipico AP a cono, la distanza che dovrebbe percorrere un fronte d'onda per arrivare a sommarsi con l'altro sarebbe praticamente nulla e i due fronti d'onda sarebbero liberi di annullarsi a vicenda in una sorta di cortocircuito acustico. In pratica vedremmo muovere la membrana senza udire alcunché. Per una corretta riproduzione delle basse frequenze è quindi indispensabile agire sui fronti d'onda in maniera tale da rifasarli oppure rendere inudibile uno dei due. Per far ciò basta montare l'AP in un box di caricamento, generalmente chiamato cassa acustica, normalmente realizzato in legno. Esistono vari tipi di caricamento ma per tutti, nessuno escluso, è fondamentale un box quanto più rigido ed impermeabile al suono. Meglio non lesinare sulla qualità e sullo spessore del legno. Esagerare non fa male…anzi! Andiamo ora ad analizzare le tipologie di caricamento più usate anche con l’ausilio di grafici ricavati utilizzando due software freeware per la progettazione di box acustici: Bass-PC 3.0 (è vecchio programma DOS ma, secondo me, ancora favoloso) WinISD (gira sotto Windows e simula anche il doppio Reflex)
2. Cassa Chiusa E’ la tipologia più semplice e facile da realizzare. Si monta l’AP in un mobile sigillato e a tenuta stagna dove il fronte d'onda posteriore dell'AP non è udibile proprio perché imprigionato all’interno del box. Essendo inudibile dall’esterno non può andare a sovrapporsi al fronte d'onda anteriore. Risultato: tutto il suono di una cassa chiusa viene esclusivamente dal movimento della membrana, che produce, in maniera udibile, il solo fronte d'onda anteriore. Il tipo di AP e il volume della cassa determinano la frequenza di risonanza del box (Fc) che può essere solo superiore alla frequenza di risonanza dell'AP in aria libera (Fs) in quanto l'aria contenuta all'interno della cassa si comporta come una sospensione aggiuntiva. Al di sotto della Fc la risposta di un box chiuso cala di 12db per ottava, in assoluto la più bassa pendenza di attenuazione tra tutti i sistemi di caricamento. Nella progettazione di una cassa chiusa è auspicabile partire dalla scelta del valore di Qtc, ovvero, il fattore di merito della risposta in frequenza di un box chiuso. Attenzione al fatto che questo valore non può essere inferiore al Qts dell'AP. Un corretto progetto di cassa chiusa dovrebbe avere un Qtc compreso tra 0.5, molto smorzato, e 1, poco smorzato. Un ottimo valore di compromesso è 0.7 - 0.71 ovvero il massimo valore di Qtc senza enfatizzazioni della risposta. Scegliete l’altoparlante in maniera tale che il Qtc ottenuto con il volume di caricamento desiderato (Vc), sia accettabile. Per capire come il Qtc agisce sulla risposta in frequenza, basta guardare la Fig.1 che mostra un grafico ottenuto sovrapponendo la risposta di Ap diversi ,ma con stessa sensibilità di 90db, caricati in cassa chiusa risuonante alla stessa Fc, 75 Hz. L’unica cosa che varia è proprio il fattore di merito Qtc (segnato in rosso).
Fig. 1   Fig. 2 Gialla 129Litri - Verde 30L - Celeste 11.6L - Viola 5.3L
Ma come si può variare questo fattore di merito? Se ci pensate, mantenendo lo stesso AP, l'unico parametro che potete variare in una cassa chiusa è il volume di caricamento, il Vc. Anche l'inserimento di materiale assorbente all'interno del box si traduce, semplificando, in un aumento virtuale di Vc. Purtroppo sia la Fc che il Qtc sono inversamente proporzionali al volume di caricamento e quindi non si può variare il Qtc senza variare la Fc. Quindi la situazione reale non è quella di Fig. 1 ma quella in Fig.2 che mostra un grafico delle risposte in frequenza dello stesso AP (Qts pari a 0.42) variando il volume di caricamento per ottenere le stesse Qtc di Fig.1. Le forme delle risposte sono analoghe ma risultano traslate lungo l’asse delle frequenze a causa dell’aumento della Fc con l’aumentare del Qtc. Parliamo un poco anche del movimento della membrana in un box in cassa chiusa. Più le frequenze che il box è chiamato a riprodurre sono basse più il cono, a parità di pressione, è chiamato a muoversi (escursione). Questo avviene fino alla Fc. Al di sotto di quest’ultima l’escursione tende a stabilizzarsi fino a non crescere più perché il volume d’aria contenuto all’interno del box, chiamato a comprimersi di molto, lo impedisce. Per questo motivo la risposta cala di 12db per ottava sotto la Fc. Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, purtroppo, presenta bassa sensibilità e necessita conseguentemente di amplificazioni molto “robuste”. Scelta dell’altoparlante: Sulla scelta di AP adatti a ricoprire il ruolo di subwoofer con questo tipo di caricamento, occorre precisare che non esistono regole ferree ma che si ottengono risposte in frequenza soddisfacenti se i parametri caratteristici di Thielle&Small rispettano le seguenti equazioni : Fs/Qes<75                  0.7>Qts>0.4 E’ necessaria anche grande capacità di muovere aria da parte dell’AP se si desiderano alti volumi d’ascolto indistorti. Quelli che seguono sono parametri molto personali ma, per dare un’idea, un diametro nominale dell’AP di almeno 10" (25cm) congiunto ad una Xmax maggiore di 7mm cominciano ad essere buoni valori. Ad alcuni basta un 20cm con escursione risicata, ad altri non bastano due 30cm con escursioni Kmetriche.
Vantaggi: · Facile da costruire e tollerante agli errori di progettazione · Transienti migliori (tradotto significa che è molto rapido e “naturale” se correttamente progettato e realizzato) · Bassa pendenza di attenuazione sotto la frequenza di risonanza (12 dB/ottava) · Regge molta potenza in tutta la gamma di frequenza riprodotta · Box generalmente piccoli Svantaggi: · Efficienza bassa · Minore tenuta in potenza alle frequenze più alte della gamma bassa con maggiore distorsione · Più un AP è adatto alla cassa chiusa più, generalmente, presenta bassa sensibilità Formule: · Vc = Vas/[(Qtc/Qts)^2-1] · Fc = Fs x Qtc/Qts
3. Cassa Reflex Praticamente una cassa reflex è simile ad una cassa chiusa con in più un foro/condotto di uscita per l'aria, il Reflex, che riutilizza l’energia del fronte d'onda posteriore facendolo di arrivare all’ascoltatore. Questo condotto, assieme al volume d'aria di caricamento (Vb), determina una frequenza di risonanza meglio conosciuta come frequenza di accordo del reflex (Fb). E' importante notare che l'AP non influisce minimamente sul valore di questa frequenza.  Ma come? Il fronte d’onda posteriore arriva all’ascoltatore? Ma non era in controfase? In questo caso l’insieme cassa e tubo reflex è capace di modificare il volume e la fase dei fronti d’onda e di proporli all’ascoltatore in modo tale accordare la loro azione. Semplificando (di molto): il movimento d’aria proveniente dal reflex si somma al fronte d'onda anteriore sopra la frequenza di accordo Fb mentre al di sotto si sottrae e la risposta decade di 18db per ottava. Alla frequenza di accordo il cono dell'AP è immobile e tutto il suono proviene dal reflex. Ciò è dovuto alla risonanza del sistema volume interno/reflex. Sotto la frequenza di accordo, essendo l’AP praticamente in cortocircuito acustico, il movimento del cono cresce spropositatamente tanto da consigliare l’uso di un filtro passa alto/subsonico per tagliare le frequenze molto al di sotto del Fb se questa è sopra i 45hz. Per meglio apprezzare il comportamento di un box reflex raffrontandolo al box chiuso ottenibile con lo stesso AP basta dare un’occhiata alla Fig. 3 e Fig. 4. Nel primo caso è utilizzato un AP strettamente da reflex con cui l’uso di un filtro passa alto è praticamente obbligatorio. Nel secondo caso è utilizzato un AP da cassa chiusa che ben si adatta al caricamento in cassa reflex anche se di buon volume. In questo caso l’utilizzo del filtro passa alto è opzionale.
Fig. 3			Fig. 4
Rispetto una cassa chiusa il progetto si complica di molto perché, oltre a dover scegliere un AP adatto e un volume di caricamento, occorre decidere il giusto valore di Fb e dimensionare correttamente il condotto reflex. Fortunatamente questo è anche un vantaggio in quanto si possono ottenere risposte in frequenza molto più variegate rispetto la cassa chiusa. In funzione della Fb e della Vb si può decidere di utilizzare il reflex per aumentare l’estensione in basso o per guadagnare qualche prezioso decibel nella gamma utile e diminuire l’escursione del cono a frequenze dove il contenuto energetico musicale è più importante. L’errore più comune è quello di progettare il box senza tener conto dell’importanza della sezione del reflex. In pratica si calcolano la Vb e la Fb e poi ci si ricava la sezione del reflex facendo in modo che il tubo reflex possa essere collocato nel box. Niente di più sbagliato. A causa dell’aumento delle turbolenze e della velocità dell’aria imposta all’interno del reflex ci ritroveremmo con delle vere e proprie “pernacchie” che escono dal reflex quando alziamo il volume. Occorre, quindi, prestare molta attenzione al reflex e possibilmente svasare quanto più possibile le estremità del tubo. A causa delle interferenze delle pareti del box e delle turbolenze, nella pratica difficilmente troverete la stessa Fb indicata dalla simulazione al computer. Ecco un piccolo trucco per verificarne il valore reale sul vostro box appena realizzato. Trattasi del “metodo del dito”. Fissate saldamente il tubo reflex ma lasciandovi la possibilità di smontarlo. Procuratevi un cd test con toni sinusoidali a passi di 1hz ( in rete si trovano dei softwerini per realizzarlo in proprio) e, partendo 10-20hz sopra la Fb desiderata e tenendo un dito poggiato sul cono, scendete di frequenza fino a sentire il cono immobile. Quella è la vera Fb che avete ottenuto. Fate molta attenzione a giocare con i volumi e con le frequenze perché, in caso contrario, rischiate di rompere l’AP. Provate a dare 20hz al progetto reflex di fig.3 e, esagerando col volume, vi ritroverete con il cono in mano! Se vi accorgete che qualcosa non quadra correte ai ripari. Smontante il tubo reflex e modificatene la lunghezza fino ad arrivare alla Fb desiderata. Solo a questo punto fisserete il tubo reflex in maniera definitiva. In generale è meglio posizionare il reflex ad almeno 5 cm dalle pareti laterali e lasciando una distanza pari al diametro del reflex tra la bocca interna di quest’ultimo e la parete posteriore del mobile. Gli AP adatti a caricamenti reflex presentano generalmente alta sensibilità e quindi si accontentano anche di amplificazioni non troppo “muscolose”. Scelta dell’altoparlante: Anche per il reflex non esistono regole ferre ma solo indicative. Ecco delle equazioni per verificarne la compatibilità: Fs/Qes>60                  Qts<0.5
Vantaggi: · Risposta in frequenza estesa verso il basso · Se ben realizzata supera in estensione verso le bassissime frequenze la cassa chiusa · Maggiore efficienza · Ottima tenuta in potenza al disopra della frequenza d'accordo del condotto · Distorsione minima alle frequenze più alte della gamma bassa · Buon raffreddamento della bobina mobile · Gli AP adatti al caricamento reflex presentano generalmente alta sensibilità Svantaggi: · Box generalmente grandi · Sotto la frequenza d'accordo l'AP suona come senza box e i due fronti d'onda sono liberi di annullarsi a vicenda con un aumento esponenziale dell’escursione del cono al diminuire della frequenza · Difficile il progetto sulla carta, ancor più difficile rispettarlo nella pratica · Suono meno naturale con transienti peggiori rispetto un box chiuso · Possibile obbligo di un filtro passa alto/subsonico Alcune Formule: · Diametro minimo consigliabile condotto reflex a sezione circolare = 0,56 x D x SQR (Xmax)/SQR(SQR(Fb)) dove SQR è la funzione radice quadrata e D è il diametro espresso in millimetri del cono dell’AP · Lunghezza Condotto a sezione circolare = [2354,29 x d^2/(Vb x Fb^2)]- (0,85 x d) dove d rappresenta il diametro del condotto · Per AP con 0.45>Qts>0.2 si possono usare le formule seguenti per progettare un box reflex in accordo B4 (massima estensione con risposta piatta) Fb = F3 = 0,39 x Fs / Qts  dove la F3, coincidente con la Fb, indica il punto a -3db della risposta Vb = 6,27 x Qts^2 x Vas
4. Carico Simmetrico Nei sistemi di caricamento a cassa chiusa e reflex l’altoparlante è visibile in quanto un lato del cono si affaccia in un volume di caricamento mentre l’altro all’esterno. Nel carico simmetrico, invece, l’altoparlante non è visibile in quanto entrambi i lati del cono si affacciano su un volume di caricamento. Uno è una cassa chiusa, l’altro è una cassa reflex. L’ascoltatore può ovviamente udire solo ciò che esce dal reflex che quindi necessita di un dimensionamento e di una cura massime. La particolarità principale è che la risposta presenta oltre al normale decadimento alle basse frequenze anche uno sulle alte ed entrambi presentano una pendenza di 12db per ottava. In pratica, almeno per quanto riguarda l’escursione del cono, il carico simmetrico unisce vantaggi della cassa chiusa con quelli della cassa reflex. L’escursione del cono è limitata alle bassissime frequenze come nella cassa chiusa mentre attorno la frequenza di accordo, essendo il comportamento analogo ad un reflex, è presente una zona di annullamento dell’escursione. Gli altoparlanti adatti alla cassa chiusa si comportano al meglio con questo tipo di caricamento ma si ottengono buoni risultati anche con quelli da reflex. Sarebbe auspicabile che la frequenza di risonanza Fc della cassa chiusa coincida con la frequenza di accordo Fb del volume reflex. Per meglio apprezzare il comportamento del carico simmetrico e le differenze, almeno quelle macroscopiche, passando da una tipologia di caricamento all’altra ecco un paio di grafici con gli stessi altoparlanti di Fig. 3 e Fig. 4.
Fig. 5	Fig. 6
Vantaggi: · Risposta in frequenza estesa verso il basso e con bassa pendenza di attenuazione (12 dB/ottava) · Molto versatile nella progettazione permettendo casse di un po’ tutte le grandezze · Ottimi risultati con un pò tutti gli AP · Regge molta potenza in tutta la gamma di frequenza riprodotta · Distorsione minima alle frequenze più alte della gamma bassa · Buon raffreddamento della bobina mobile se il magnete è montato nel volume reflex Svantaggi: · Ancor più del Reflex, è difficile il progetto sulla carta e ancor più difficile rispettarlo nella pratica · Eventuali distorsioni, fuoriescursioni e fondocorsa dell’AP sono difficilmente percepibili dall’ascoltatore · Se si desidera una buona estensione in basso il box ha un’occupazione simile al normale reflex · Più la banda passante è ampia più peggiora la risposta ai transienti
Costruzione del box Premetto subito che esistono diverse tipologie di costruzione dei box subwoofer e dei diffusori in generale, quindi non meravigliatevi se altri vi suggeriranno soluzioni differenti. Questa è quella che uso io e richiede la minor attrezzatura possibile. Per prima cosa bisogna scegliere il materiale con cui costruire il box. Escludendo le lastre di marmo per ovvi motivi di peso e costo bisogna necessariamente usare legno ma, a differenza di quanto si crede, il massello non è la scelta che porta ai migliori risultati. A volerlo usare per forza, magari in un diffusore casalingo, il massello va scelto molto stagionato ed è necessario incollarne almeno due strati con le fibre incrociate. A conti fatti ne è sconsigliabile l’uso in auto dove le uniche scelte valide sono l’MDF e il multistrato marino. L’MDF è una specie di truciolare finissimo, poco costoso ma molto pesante ed inerte mentre il multistrato è costituito da molti strati di vero legno con le fibre incrociate. Se il peso del mobile non è per voi un parametro fondamentale scegliete sicuramente l’MDF che porta a risultati acustici decisamente superiori e, cosa non trascurabile, costa meno. In linea generale si possono usare tavole di MDF spesse 19mm per box con volume interno inferiore a 20 litri, da 25mm fino a 50-60 litri e da 30mm per box ancora più grandi. Se usate il multistrato usate la misura superiore. Una cosa è comunque sicura: se costruite un box da 20 litri con MDF da 30mm non avete sbagliato, Anzi…!!! Tra l'altro più il legno è spesso più la costruzione del mobile è facile. Studiate bene il vostro bagagliaio e fate un progetto sulla carta pensando già alla disposizione dei pannelli. Nel caso pensiate di fare un box molto grande o che sfrutti al massimo una delle dimensioni del bagagliaio è bene costruire un box di prova in cartone e nastro per imballaggi per controllare che realmente riusciate ad infilarlo in auto. Disegnate il progetto sulla carta e fatevi la lista delle tavole che vi servono e fatevele tagliare dal più vicino negozio di fai da te per il legno (BricoStore, Bricofer, BricoOK,….) o dal vostro falegname di fiducia. Se il box che avete progettato presenta angoli non a 90 gradi (Fig. 7) informatevi telefonicamente se eseguono questo tipo di tagli. Sempre al BricoXXX comprate colla vinilica e viti autofillettanti per legno con circa 2-3 cm senza filettatura sotto la testa. Una piccola finezza è quella di pensare all’incasso della flangia del sub. Se non disponete di una fresa potete incollare due tavole di spessore appropriato a cui avete praticato con il seghetto alternativo dei fori di diametro diverso (Fig. 8).
Fig. 7		Fig. 8
Montate una prima volta il mobile senza colla ma usando solo viti autofillettanti per legno (quelle con circa 3 cm senza filettatura sotto la testa) messe ogni 25cm facendo un preforo con il trapano con una punta leggermente più piccola dell'anima della vite. Questo lavoro di trapanatura va fatto con molta attenzione e calma su un'ampia base di appoggio liscia e regolare. Mi raccomando che il foro sia leggermente più profondo della lunghezza delle viti. Si mettono in posizione due pannelli, si pratica un foro, si mette la vite, si pratica un foro, si mette la vite e così via aggiungendo poi gli altri pannelli. Finito di montare il mobile è necessario controllare che non ci siano problemi di accoppiamento dovuti a tolleranze ed errori nel taglio dei pannelli. Nel caso si riscontrassero dei problemi valutate se è il caso di togliere legno o preparare subito una bella pappetta di segatura di MDF e colla (ottima anche per sigillare gli angoli interni) da mettere come colla di unione tra i pannelli dove si forma la fessura (deve essere inferiore al millimetro però). Prima di smontare tutto fate dei segni con un pennarello per ricordare il giusto verso dei pannelli e solo a questo punto smontate tutto. Se sapete di usare una buona colla vinilica, vi consiglio caldamente di non tenere le viti a box ultimato perché, a differenza di quanto si crede, sarà la colla vinilica a tenere insieme il box e non le viti. Se invece decideste che a mobile ultimato le viti debbano comunque rimanere in sede allora dovete praticare ora delle piccole svasature coniche con una punta da trapano larga quanto la testa delle viti. Questa operazione ha lo scopo di far penetrare la testa delle viti nel legno quel tanto che basta per portarle almeno livello del piano del pannello ma sempre forzando molto col giravite.
Fig. 9		Fig. 10
Adesso rimontate il box con le viti ma mettendo un strato uniforme di vinavil (Fig. 9) messo con un pennellino. Quando si serreranno con forza le viti, la colla deve venir fuori da entrambi i lati (Fig. 10). Togliete l’eccesso con un panno inumidito con acqua. Una volta che la colla si è asciugata dovrete rifinire tutti i bordi interni con un'impasto di segatura di MDF e colla vinilica usando il polpastrello dell'indice. In mancanza di questa usate colla Millechiodi, ottima per lo scopo visto che asciugando non perde volume. Solo se la cassa fosse reflex potreste usare in alternativa il silicone ma mettendone il meno possibile perchè sprigiona miasmi che corrodono gli AP (provato sulla mia pelle su un midwoofer).