Introduzione

Questo articolo, prendendo spunto da un prodotto commerciale, vuole presentare una soluzione originale ad un problema “vecchio quanto l’HiFi” ed essere di stimolo a cercare sempre di vedere i problemi con “occhi diversi”.

Sin dagli albori della riproduzione audio, fu chiaro che riprodurre tutte le frequenze audio con un singolo dispositivo non era cosa semplice. Nonostante i continui sviluppi e progressi appare ancora oggi un problema di difficile soluzione. Certo vi sono altoparlanti a larga banda o fullrange o extended range, ma rimangono un compromesso che se si vuole di buona qualità ha costi elevati. Nacquero così i sistemi multivia, costituiti da una pluralità di altoparlanti specializzati in specifiche bande di frequenza, che presero i ben noti nomi di sub-woofer, woofer, midrnge, tweeter, supertweeter.

Gli altoparlanti per le varie frequenze

Senza voler ripresentare nozioni magari già fin troppo note, riassumiamo brevemente nomi e caratteristiche principali dei due altoparlanti principali destinati a riprodurre specifiche bande di frequenza.

Woofer: prende il nome dal termine inglese woof che significa "suono basso". ​​ È un altoparlante progettato per riprodurre quindi le frequenze più basse della gamma audio in unione ad uno o più altoparlanti destinati a riprodurre la gamma rimanente. La caratteristica principale è di avere dimensioni e peso maggiori degli altri trasduttori e un equipaggio elettromeccanico avente buone doti di robustezza.

Tweeter: prende il nome dal termine inglese (to) tweet che significa "cinguettare". È quindi un altoparlante dedicato a riprodurre le frequenze alte della gamma audio. In generale ha un diametro minore degli altri altoparlanti per riprodurre al meglio le frequenze di cui si occupa.

Ad ogni altoparlante è bene se non necessario inviare solo le frequenze per cui è progettato. Se ad un woofer mandiamo segnali ad alta frequenza questi non saranno riprodotti o magari lo saranno con elevata distorsione o con una risposta in frequenza molto accidentata. Peggio la situazione con i tweeter, che se alimentati con segnali a bassa frequenza, non solo non li riprodurranno fedelmente, ma andranno molto rapidamente in guasto sia per motivi elettrici sia meccanici. Un filtro quindi è necessario!

Il filtro crossover

Per poter inviare ad ogni altoparlante solo i segnali di sua competenza, occorre un filtro, comunemente noto come crossover. Più tecnicamente con tale termine si identifica un sistema costituito da due o più filtri con bande passanti contigue e aventi in comune una frequenza di frontiera (detta appunto frequenza di crossover.). Deve il suo nome alla caratteristica per cui in corrispondenza della frequenza di taglio, le curve di attenuazione dei due filtri si incrociano. Nella sua realizzazione più semplice è composto da un passa basso e da una passa alto.

Ogni sezione può avere poi pendenza di taglio differenti, in base al suo ordine così come di seguito riassunto:

I filtri dei primo e secondo ordine sono fra i più diffusi e largamente impiegati. Sono economici, relativamente semplici da calcolare e richiedono pochi componenti. I filtri di ordine superiore hanno applicazione più rara proprio per il relativo costo e difficoltà di messa a punto.

Detto filtro ha un ruolo cruciale nella qualità ed affidabilità del diffusore. Non solo garantisce che ad ogni altoparlante arrivino solo le frequenze di interesse, ma deve anche controllarne la fase, gestire l’impedenza vista ai morsetti da parte dell’amplificatore, livellare magari anche il livello fra altoparlanti differenti. Il tutto ovviamente, non introducendo distorsioni apprezzabili fino al limite di potenza del diffusore. Non è banale come serie di compiti. Se oggi con il calcolatore e buoi programmi di simulazione si possono ottenere rapidamente buoi progetti, molto più complicata era la situazione un tempo, quando tutto questo non esisteva e ci si affidava a calcoli e misure manuali.

Aggiungiamo che i componenti per realizzarlo “rubano” volume all’interno del diffusore. Se la cosa è sostanzialmente trascurabile in oggetti di grande ingombro, altrettanto non si può certo affermare nelle realizzazioni più compatte.

Oltre alle difficoltà progettuali e realizzative, va anche considerato come il filtro possa costare anche una frazione significativa dell’intero diffusore. Basta sfogliare i listini dei produttori di condensatori e induttanze per alta corrente per uso audio per togliersi ogni dubbio possibile.

Un altro problema dei sistemi multivia

Vi è anche un aspetto legato all’affidabilità da considerare, ben noto a chi ha provato magari a riprodurre musica tramite un amplificatore “tirato al limite”. In un sistema di riproduzione ben dimensionato, la potenza di amplificatore e altoparlanti è coordinata in modo che fintanto che si rimanga rimane in un “regime indistorto” tutto vada per il meglio, senza problemi per alcun componente. Nel momento in cui si superi però le capacità dinamiche dell’amplificatore, facendolo saturare (clipping) ecco che si rischiano danni. La distorsione del segnale, lo arricchisce di armoniche o più in generale di energia alle frequenze più alte, che finiscono per sovraccaricare il tweeter che di solito sarà il primo componente a guastarsi.

Una soluzione alternativa

Vediamo ora come i vari aspetti negativi fin qua narrati possono essere risolti, affrontando il problema in modo differente.

Anziché costruire due distinti altoparlanti per la parte bassa e alta dell’audio, proviamo ad immaginare di realizzarne uno concentrico, con il tweeter all’interno del woofer e con una frazione del gruppo magnetico in comune. Se poi la bobina del tweeter la realizziamo in corto circuito e la poniamo in posizione opportuna, ecco.. il gioco è fatto!

Ma come può funzionare magari direte? Il “trucco c’è ma non si vede” si potrebbe anche arguire, ma il tutto è più semplice di quanto potrebbe apparire.

Il principio su cui si basano questi sistemi è noto anche come "induction tweeter" o “wireless tweeter. La bobina del woofer alimentata come sempre dal solito amplificatore, agisce anche come primario di trasformatore di cui il complesso magnetico dell’altoparlante è il nucleo. Il secondario del trasformatore è costituito dalla piccola bobina in corto circuito del tweeter, “sapientemente” posizionata.

In altri termini è come pensare di alimentare e filtrare il tweeter in un sistema “normale” non tramite un convenzionale filtro passa alto L-C, ma tramite un trasformatore. Ecco, questo è il nocciolo della soluzione. Il tutto reso possibile da un raffinato dimensionamento di tutte le parti sia meccaniche sia magnetiche. Il sistema deve garantire infatti: sensibilità, parità di livelli fra i due trasduttori, impedenza, banda passante e frequenza di taglio. ​​ In cambio di questa complessità progettuale e realizzativa però, si possono ottenere due grandi vantaggi:

• eliminare il filtro crossover

• rendere impossibile bruciare il tweeter

Un esempio commerciale

La soluzione prima presentata non è pura teoria e ha trovato applicazione in alcune serie di altoparlanti e diffusori commerciali.

Fra i vari, quelli forse più reperibili a buon prezzo e di interesse per essere studiati, provati e modificati sono le Tannoy I5T AW, dei piccoli diffusori per esterno o meglio detti come ci suggerisce il costruttore: “All Weather” e che rispondono alle specifiche IP33CS secondo la EN60529. Non possono affrontare violente “burrasche di vento e pioggia” con acqua che arriva da ogni direzione, ma resistere senza problemi a intense precipitazioni anche non verticali. Un buon punto di partenza per farne un buon uso in giardino, ad un field day, fiera, mercatino, esibizione all’aperto in genere.

Ritornando al tema principale, nell’immagine sottostante potete vedere un esploso del complesso altoparlante da 5” con visibile la bobina di alluminio, realizzata con una singola spira in corto circuito che muove il diaframma del tweeter.

L’altoparlante è a bassa impedenza, ma il diffusore nel suo complesso è pensato per un uso con linee a 70V, di cui vedremo nel prossimo capitolo alcune informazioni. Il trasformatore d’impedenza è all’interno del contenitore e il selettore per la potenza (selezionabile fra 30, 15, 7.5, 3.75 Watts) è sul frontale. I dati appena indicati ci suggeriscono anche che la potenza gestibile è di almeno una trentina di watt, ma come vedremo le buone notizie non finiscono qua. Studiando il manuale, si apprende come in realtà la potenza gestibile sia compresa fra i 50 e i 100W con una sensibilità di ben 93dB! e livelli massimi riproducibili ben oltre i 100dB!