Thiele&Small ReLoaded

11 09 2007

Klippel Analizer System – Quando i parametri T&S perdono parte della loro validità

Questo articolo nasce dalla necessità di esprimere nel miglior modo possibile il comportamento di un driver generico. Abbiamo parlato a lungo dei parametri di Thiele&Small ed abbiamo capito che sono molto utili, sopratutto in fase di progettazione del sistema e dei carichi acustici relativi. Sul numero 142 di ACS fu pubblicata una relazione a riguardo di una conferenza tenuta a Senigallia, sede della Ciare, inerente al sistema di analisi del’ing. Klippel, che voglio ora riportare. Non me ne voglia l’autore, Federico Valeri, non è di certo mia intenzione sorpassarlo, ma è utile secondo me, citare questo documento, dato che abbiamo appena finito di parlare di “schematizzazione” di altoparlanti.

[…] In questa cornice decisamente accogliente l’ingegner Klippel, dotato di una padronanza dell’inglese sconcertante (sopratutto se paragonata allo standard medio di noi italiani), al punto che in otto ore quasi filate mi sarò perso sì e no un paio di volte, si è lanciato in una spiegazione che è andata ben oltre la semplice presentazione del frutto delle proprie fatiche. E’ stato davvero interessante scoprire fenomeni solitamente ignorati e che invece condizionano fortemente il comportamento dei trasduttori elettrodinamici, specie in regime di grandi segnali.

Il punto di partenza, è stato, come sempre accade negli ultimi 50 anni, il mercato e la necessità di realizzare un prodotto sempre più performante ed affidabile ad un prezzo il più possibile concorrenziale. Da qui il discorso si è spostato verso la modellizzazione del comportamento reale dei trasduttori (indispensabile se si vogliono effettuare delle simulazioni) e la scomposizione del “problema” in vari sottoproblemi. Mi spiego: un altoparlante viene solitamente identificato, almeno a bassa frequenza, in maniera pressochè univoca dai propri parametri di T&S. Questo però è vero solo per un ristretto intervallo di potenze, oltre che di frequenze, orientativamente entro un decimo della potenza massima di targa (in realtà dipende molto dal tipo e dalla bontà del trasduttore), ossia quelle in cui può essere considerato lineare. Sopra questa “soglia” (ovviamente non si tratta affatto di una soglia, ma di un passaggio relativamente graduale) l’uso dei parametri di T&S perde parte della sua validità perchè il comportamento del componente tende a diventare non lineare e quindi la faccenda si complica notevolmente. Ho parlato di soglia proprio perchè per semplificare la struttura dei modelli da implementare nelle simulazioni, è utile individuare una soglia di transizione tra comportamento lineare e non, così da realizzare due soli modelli. Quello lineare è il più facile da definire e da utilizzare, mentre quello non lineare necessita ovviamente si alcune semplificazioni, quindi si cerca di prendere in considerazione solo le non-linearità dominanti per non complicare eccessivamente le cose. Queste si dividono sostanzialmente in tre famiglie: quelle dovute alla modulazione del B×L “per colpa” dell’escursione (quindi della variazione di posizione relativa tra bobina e traferro. All’aumentare dell’escursione il fattore motore tende a diminuire perchè diminuisce il numero di spire effettivamente immerse nel campo magnetico), quelle dovute alla variazione della cedevolezza (man mano che ci si avvicina alla massima escursione meccanica la Cms tende a decrescere) e quelle più insidiose (almeno per il fatto che in pochi le tengono in debito conto) dovute alla “oscillazione” della Le della bobina mobile, che aumenta per escursioni negative (cioè verso il magnete, dal momento che lì c’è più metallo e questo aumenta il valore di induttanza) e diminuisce per quelle positive. Da quanto detto appare evidente che tutte le forme di distorsione non lineare sopra citate dipendono fortemente dall’escursione, e questo vuol dire non solo che le basse frequenze tendono a generare più distorsioni (al diminuire della frequenza l’escursione aumenta sempre) ma anche che sovrapporre una frequenza bassa ad una molto più alta (per esempio, un tono a 40 Hz più uno a 1.000 Hz) induce distorsione anche sulla frequenza più alta che si trova, per così dire, in balia delle ampie escursioni provocate dalla frequenza inferiore. In una parola, si genera intermodulazione tra i due toni.

E’ interessante studiare le conseguenze dei fenomeni sopra descritti. La variazione del B×L provoca fondamentalmente tre effetti: il primo consiste nella generazione di distorsione di intermodulazione quando all’altoparlante arriva più di un semplice tono puro (e questo accade sempre con la musica); un secondo, curioso effetto è la generazione di un offset di spostamento della bobina, quindi del cono, quando viene sollecitato da un tono puro di frequenza maggiore della Fs, che nei casi più gravi può sconfinare addirittura in una condizione di instabilità che porta l’equipaggio mobile a “schiantarsi” verso il fondocorsa; il terzo consiste in una modulazione d’ampiezza dovuta al fatto che il B×L influenza direttamente l’efficienza dell’altoparlante, quindi ogni sua variazione si ripercuote sull’ampiezza del segnale riprodotto.

Le non linearità delle sospensioni (ossia della cedevolezza Cms) provocano almeno altre quattro conseguenze: la prima, più banale, consiste nella generazione di distorsione armonica e di un lieve offset dell’equipaggio mobile; la seconda, nota come compressione, è dovuta al fatto che all’aumentare dell’escursione la dimiuzione di cedevolezza tende a frenare maggiormente il moto del cono, quindi a comprimere l’ampiezza dello spostamento; altro fenomeno “strano” è quello della variazione della Fs, che essendo legata fortemente alla cedevolezza (ed alla massa mobile che però, almeno questa, resta costante) ne subisce tutte le fluttuazioni; da non sottovalutare in ultimo, come nel caso del B×L, il pericolo di instabilità legato all’offset dell’equipaggio mobile (da non confondersi con quello dovuto alla generazione di armoniche visto poco sopra).

Per quanto riguarda le oscillazioni della Le della bobina mobile, queste si ripercuotono direttamente sull’impedenza elettrica presentata dall’altoparlante con conseguente variazione della corrente assorbita dall’amplificatore (e l’effetto è più evidente verso le medie frequenze, dove l’effetto induttivo si fa sentire maggiormente). Per non parlare poi delle conseguenze che ciò comporta quando il trasduttore viene collegato ad un filtro passivo, con la risposta elettrica che viene modulata in gamma media dalle variazioni dell’impedenza. Ma la Le può variare anche per un altro motivo, che si chiama “modulazione del flusso”. In poche parole, il campo generato dalla bobina mobile altera quello proprio del magnete, e questo evidentemente avviene tanto più quanto aumenta la corrente che circola nelle sue spire.

In conclusione, un fatto importante da sottolineare è la possibilità di separare l’analisi delle varie distorsioni, che altrimenti si presenterebbero contemporaneamente (quindi indistinguibili), pilotando l’altoparlante in corrente o in tensione e scegliendo opportunamente la frequenza del segnale test. A questo punto, in sede di simulazione, si può agire su grandezze quali le dimensioni e la posizione della bobina mobile, la forma ed il tipo delle sospensioni nonchè sul disegno del gruppo magnetico, visualizzando ogni volta gli effetti che queste modifiche hanno sulle distorsioni fino a stabilire il miglior compromesso. Il tutto senza aver speso un euro per costruire alcun prototipo di altoparlante. Potenza delle simulazioni…

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