Il Crossover. Perchè è importante?

3 09 2007

Il crossover, o rete di filtraggio, non è altro che un semplice circuito che, attraversato da un segnale musicale a tutto spettro, è in grado di farne passare inalterata una certa porzione e di attenuarne un’altra.

Di che tipo può essere?
Esistono diversi tipi di crossover:

Attivi
crossover attivo
Sono degli “hardware” veri e propri (come piccoli amplificatori), necessitano di alimentazione, operano il filtraggio e successivamente inviano la porzione di segnale stabilita all’amplificatore.

Passivi
crossover passivo
Sono circuiti che chiunque di voi ha studiato in elettronica, si autoalimentano traendo energia dall’impianto e sono installati a ridosso dell’altoparlante, a valle quindi dell’amplificazione. In questo senso è molto importante selezionare la qualità dei componenti (condensatori e induttanze) che andranno a costituire il nostro crossover passivo.

Che funzione può svolgere?
I crossover, attivi o passivi che siano, possono svolgere queste 3 funzioni:

PASSA-ALTO
Un filtro passa alto è in grado di operare un “taglio” ad una frequenza determinata. In particolare, un passa-alto a 3600 Hz (come quello in figura) farà sì che tutto ciò che sta al di sopra dei 3600 Hz passi indisturbato, mentre tutta la porzione al di sotto dei 3600 Hz venga attenuata al punto di risultare inudibile. Notiamo infatti che al decrescere delle frequenze decresce anche la sensibilità in dB della risposta di quel driver (presumibilmente un tweeter):

PASSA-BASSO
Com’è logico pensare, è il fratello del passa-alto, con la differenza che riuscirà ad attenuare tutto ciò che sta al di sopra di un dato valore, lasciando inalterata la parte inferiore. Eccone uno che “comincia il suo lavoro” a 1000 Hz:

PASSA-BANDA
Viene enunciato a sè, ma in realtà è semplicemente la composizione tra un passa-alto e un passa-basso opportunamente parametrizzati (in questo caso un passa-alto a 80Hz ed un passa-basso a 3600Hz). Serve a lasciare intatta la porzione di spettro compresa tra due valori, attenuando quella inferiore al valore inferiore e quella superiore al valore superiore. Se avete fatto caso, però, la rappresentazione del passa-basso a 3600 Hz sembra “più ripida” di quella del passa-alto (alla stessa frequenza) di prima. Questo introduce un parametro, la pendenza di attenuazione, che spiegheremo più avanti.

Eccone una rappresentazione di tutti e tre i filtri in azione, ad esempio se vogliamo filtrare un fronte a 3 vie (woofer, medio e tweeter):

filtro 3 vie

Ed un’altra nel caso in cui vogliamo incrociare solamente woofer e tweeter (in questo particolare caso, ad esempio, a 3600Hz):

Comunemente troverete un crossover in ogni altoparlante coassiale (quel piccolo condensatorino vicino alla membrana) ma ricordatevi che una rete di filtraggio è un qualcosa di molto più complesso ed indispensabile.

A cosa serve?
Il crossover, infatti, ha due obiettivi (due soli, ma basilari):
1- Evitare la rottura meccanica dell’altoparlante filtrato
2- Ottimizzarne la risposta in frequenza (migliorare cioè la sua qualità di riproduzione)

E’ ovvio che driver da 50, 100, 150€ non vengano messi in commercio con delle reti di filtraggio adeguate, sarebbe un costo spropositato e quindi è bene far attenzione alla resa di un sistema di altoparlanti, la quale potrebbe non essere secondo il nostro avviso ottimale proprio a causa di un crossover mancante o non propriamente sviluppato.
Nella pratica, infatti, troverete come filtri quasi solo ed esclusivamente condensatori sui tweeter, per evitare che si fulminino dopo 2 secondi che li avete collegati… Mentre sarà più difficile che troviate filtraggi complessi su altri tipi di altoparlanti, e fondamentalmente per due motivi ben precisi:

1- Un woofer fa più fatica a spaccarsi e commercialmente non è in pericolo
2- Una rete di filtraggio complessa non può essere dimensionata da un’azienda che produce ap, ma dovrà essere minuziosamente progettata da un installatore in base a DOVE saranno installati gli ap, COME vogliamo farli suonare, CHE MUSICA dovranno riprodurre maggiormente e così via.

Perchè è indispensabile?
Piccola nota sulla morfologia dei diffusori:
perchè il tweeter è così in pericolo? Diciamo che non è il tweeter in sè ad esserlo, ma un qualsiasi altoparlante che presenti una morfologia analoga. Facendo un passo indietro, scopriamo come nel vasto ambito dei diffusori, ne esistano sostanzialmente solo due grosse categorie:

Altoparlanti a CONO e altoparlanti a CUPOLA

Subwoofer, woofer, midrange sono altoparlanti a cono. Alcuni midrange, tweeter e supertweeter sono tutti altoparlanti a cupola. Gli altoparlanti a cupola nascono con questa filosofia progettuale poichè vengono chiamati a riprodurre frequenze dalla BASSA LUNGHEZZA D’ONDA, di conseguenza dalla MINIMA ESCURSIONE e dal BASSO CONSUMO DI ENERGIA. Questa struttura ci racconta quindi che un ap a cupola è un qualcosa di molto delicato che non potrà certo sopportare il peso di frequenze basse, che data la loro ALTA LUNGHEZZA D’ONDA, necessitano di ap dall’ALTA ESCURSIONE e che riescano a smaltire GROSSE QUANTITA’ DI ENERGIA. Detto questo è facile comprendere come sia d’obbligo investire su una rete di filtraggio, seppur minima, da parte delle ditte costruttrici, o si ritroverebbero il 90% dei tweeter resi in sostituzione per rottura della membrana.

Per concludere, ed estremizzare il concetto descritto, ricordiamoci che

UN OTTIMO ALTOPARLANTE VIENE VENDUTO SENZA FILTRO (così da dare la possibilità ad ognuno di crossoverarlo a piacere)

ma che

UN ALTOPARLANTE VENDUTO SENZA CROSSOVER NON E’ NECESSARIAMENTE OTTIMO (esistono realtà di ap talmente economici da essere venduti senza alcun tipo di filtro).

Quindi attenzione a cosa comprate… Ora che abbiamo scoperto cosa sono vediamo nel particolare come svolgono il taglio delle frequenze. I parametri più importanti sono sicuramente la frequenza di taglio, l’ordine del filtro e la pendenza di attenuazione.

La frequenza di taglio
Questo valore ci dice in che punto dello spettro il filtro si attivi e cominci ad effettuare l’attenuazione per la quale è stato progettato. In parole povere, un passa-alto a 3000 Hz permetterà il passaggio “libero”, inalterato, di tutte le frequenze più alte, fino a 20.000 Hz, ci farà sentire i 3000 Hz attenuati di una quantità dipendente dall’allineamento del filtro stesso, e via via attenuerà anche tutte le altre frequenze al di sotto, fino a renderle inudibili. Questo solo a livello teorico, a lato pratico non avremo mai una risposta grafica “a gradini, digitale”: come si può notare dalla figura sotto, sopraggiunta la frequenza di taglio tutta la curva si ammorbidisce ed inizia a calare di sensibilità con una certa rotondità (la quale, tra l’altro, conferisce un’equilibrata risposta timbrica all’altoparlante). Ricordiamo uno dei grafici precedenti, in cui si vede piuttosto bene, questo fenomeno:

L’ordine del filtro e la pendenza di attenuazione
L’ordine di un crossover (1°, 2°, 3°, 4°) ci racconta una cosa molto importante: ci dice in che modo venga operata la famosa attenuazione che stiamo cercando, una volta arrivati a superare la frequenza di taglio. Così distinguiamo bene il DOVE tagliare con la frequenza di taglio dal COME tagliare con la pendenza. La pendenza è definita anche come la rapidità di attenuazione (analogamente la ripidità della curva) e indica cioè quanto sarà veloce o lento l’abbassamento di sensibilità dovuto al corretto funzionamento del crossover. Questa grandezza fisica è espressa con una unità di misura associata, definita come dB/oct (decibel per ottava). Facciamo qualche esempio:

il nostro filtro high-pass a 3000Hz e 6 dB/oct inizierà a lavorare appunto a 3000Hz e data la sua pendenza, mi restituirà attenuata di 6 dB la frequenza di un’ottava inferiore a quella di taglio (1500 Hz). Successivamente restituirà i 750 Hz attenuati di altri 6 dB (quindi -12 dB rispetto a quella di taglio). Successivamente i 375 Hz attenuati di altri 6 dB (quindi -18 dB rispetto alla frequenza di taglio) e così via. Cosa succederà? Che al di sotto di una determinata frequenza il mio orecchio non riuscirà nemmeno più a distinguere nè rilevare determinate frequenze poichè molto attenuate ed avrò una corretta risposta del tweeter in questione.

Ma se uno avesse bisogno di una ripidità/rapidità maggiore? Nessun problema, qui entra in gioco l’ordine del filtro, che mi da la possibilità di progettare un crossover che non effettui solo un’attenuazione di 6 dB/oct ma anche di 12 dB/oct, 18 dB/oct, 24 dB/oct (rispettivamente filtri del 1° ordine, 2°, 3° e 4°). Ecco la risposta differente di due filtri con pendenza differente e pari frequenza di taglio (passa-basso a 1000 Hz del primo e del secondo ordine):

Dall’immagine ingrandita si vede molto bene che i 1000 Hz risultano sempre e comunque a -3 dB in entrambe i casi (questa è una costante indipendente sia dalla frequenza di taglio che dalla pendenza). Ma con pendenza 6dB/oct, l’attenuazione di -15 dB l’avremo poco sopra i 5000 Hz, mentre con pendenza doppia, poco meno sotto i 3000 Hz…

Com’è fatto?
A lato pratico lo sviluppo di crossover di diverso ordine viene comandato dal numero di componenti reattivi contenuti in esso. Vediamo in particolare le varie tipologie costruttive:

passa basso di 1° ordine

Ecco un passa basso a 6 dB/oct. Notiamo un singolo componente reattivo (quindi un filtro del primo ordine)

passa basso di 2° ordine

Questo invece è un passa-basso a 12 dB/oct. Opera un taglio con una pendenza superiore

passa basso di 3° ordine

Il passa-basso del 3° ordine (18 dB/oct di attenuazione)

passa basso di 4° ordine

Ed infine il filtro del 4° ordine (24 dB/oct di attenuazione)

Questi sono tutti esempi di filtri passa basso. Per ottenerne di passa-alto sarà semplicemente necessario invertire le bobine con i condensatori ed il gioco è fatto:

Ed infine per ottenere un passa banda basterà inserire in serie ad un passa-alto un circuito di passa-basso. Così il segnale verrà prima tagliato al di sotto e poi al di sopra delle due frequenze di taglio relative dei due filtri.

Come si calcola?
Ora che abbiamo scoperto da cosa è composto un crossover e cosa ci occorre per scegliere una pendenza piuttosto che un’altra, torniamo a parlare brevemente della frequenza di taglio ed in particolare a come calcolarla.
Se prima ci risultava difficile anche solo intuirlo, ora è invece facile capire come la frequenza di taglio dipenda dal valore dei singoli componenti, a prescindere dall’ordine. Completiamo così la precedente frase “la frequenza di taglio ci dice dove tagliare e la pendenza ci dice come tagliare” con “la frequenza di taglio ci dice dove tagliare a seconda dei valori dei singoli componenti contenuti nel circuito e la pendenza di attenuazione ci dice come tagliare a seconda del numero di componenti contenuti nel circuito”.

Diciamo NO! alle formule
Sulla rete potrete trovare mille e un tutorial sul calcolo matematico dei valori dei componenti, che non verrà preso in esame in questo articolo, questo perchè il calcolo matematico è sì giusto, ma solo se applicato ad un certo tipo di presupposto. Non voglio che vi facciate un “copia incolla” della tabellina, è necessario capire il perchè delle cose. Per spiegarmi meglio, voglio ricordare che non basta prendere la formuletta ed inserire il valore della frequenza di taglio per avere una risposta sui valori dei componenti, poichè la formula funziona se e solo se applichiamo al filtro un carico puramente resistivo (e l’altoparlante è tutt’altro che resistivo).
Il risultato matematico sarebbe quindi diverso da quello reale. Ma questo lo tratteremo in un articolo dedicato, l’impedenza dell’altoparlante.


Azioni

Information

7 responses

4 09 2007
Minoz

Non so se possa interessare, ma quando ero giovane io e un mio collega decidemmo di progettare e costruire un theremin per un esame universitario: ebbene, occorreva progettare anche un filtro passa basso (se non ricordo male) e per fare questo ci avvalemmo di un valido programmino gratuito che forse non tutti conoscono: Filterpro. Il quale permetteva di progettare vari tipi di filtri attivi, fino al decimo ordine.
A chiunque possa interessare si trova qui
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filterpro.html

5 09 2007
Davide

Addirittura 10° ordine… Ti serve uno stampato in formato A4 per farci stare tutti i componenti… Ricordiamo comunque, per par condicio, che in applicazioni come queste può essere molto utile arrivare a pendenze di questo calibro, ma che in ambienti come il car audio o la riproduzione ad Alta Fedeltà in genere, è bene non superare il 4° ordine in passivo, per non rischiare intermodulazioni e generazioni di campi magnetici indotti e autoindotti tra i componenti che comprometterebbero la resa finale. Finchè si lavora in elettronico (digitale o analogico che sia) mi sta anche bene, ma in passivo andiamo cauti, mi raccomando. Lo dico solo perchè magari qualche scienziato pazzo non si metta a creare un passa-alto del 10° ordine per un tweeter… Pensa che roba: “Ho un problema con la medio-alta, non si lega con la medio-bassa…” E ci credo!!! 60 dB/oct non è un’attenuazione, è un buco nero.

24 05 2013
auto body

Howdy! Do you use Twitter? I’d like to follow you if that would be okay. I’m definitely enjoying
your blog and look forward to new posts.

30 07 2014
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Il Crossover. Perchè è importante? | Officine Acustiche Car Audio Brescia

6 02 2015
Matte91

ciao a tutti! ho deciso di migliorare il mio “impianto” audio e da qualche settimana sono alla ricerca dei crossover giusti, ho parlato con alcune persone per aiutarmi un po ma tutte mi hanno detto delle cose diverse quindi sono un po confuso! ieri un tecnico di un negozio mi ha detto che prendendo un crossover da 500hz, il diffusore riprodurrà frequenze dai 500hz in giù! però in questa guida ho letto il contrario! vi prego aiutatemi non ci capisco più niente:/

2 12 2016
Mario Aprea

Ti ha detto una cavolata

5 01 2016
nik

Ciao Davide tt bene sono nicola ascolta fammi uno squillo che mi servono dei componenti , ovviamente di qualita per fare un filtro e anke un aiuto ! Per vedere quanto costa ! 3458856823 ciao e grazie

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