T-Project 3: Wood Rook (Torri a 2 vie in configurazione D'Appolito)

Introduzione

Dopo aver completato le Hatt TBS, è l’ora di passare al prossimo progetto…

2 vie in bass reflex con doppio woofer da 15cm in configurazione D’Appolito

Vi presento le Wood Rook!



Gli altoparlanti:

Tweeter Ciare PT383 detto anche “er cupolone”


Woofer Tang Band W5-1367B


Qui le caratteristiche:
http://www.ciare.com/pdf/catalogo/PT383.PDF
http://www.audioselection.it/getpfile.php?file=214&language=106

Questi altoparlanti mi piacciono!

Alla modica cifra di 30€ il pezzo i TB offrono:
- un cono in carta trattata con particelle di ceramica, leggero (solo 9 grammi di mms) e rigido allo stesso tempo;
- un bellissimo cestello in pressofusione di allumino;
- ogiva in alluminio con funzione rifasatrice e raffreddante;
- un Qms di 5.15.

Cosa chiedere di più?

Anche i tweeter non scherzano, con la loro cupola da 38mm caricata da una guida d’onda. Ottima sensibilità e tenuta in potenza ed un suono che resta comunque “dolce” se si lavora bene con il crossover. Sulla carta possono scendere anche fino 1,5KHz con un taglio deciso.

Avete mai ascoltato le Chario Ursa Major? Offrono davvero un bel suono e montano proprio i PT383…

Progetto

Proviamo a farci un’idea del carico acustico in cui far lavorare questi TB.

Dato lo sviluppo del diffusore a pavimento, i litri saranno o non saranno un problema?!

Il VAS è contenuto (la casa dichiara circa 14,55 litri), quindi, non dovrebbero richiedere molto spazio per suonare bene.

Questo nel nostro caso è un vantaggio. Per lo sviluppo in senso verticale delle Torri, si potrebbe creare una fastidiosa stazionaria che andrebbe ad inficiare la gamma bassa.

Vediamo se siete attenti, data la distanza di 0,862 metri tra i due lati paralleli più lontani (base inferiore e base superiore) a che frequenza si formerebbe la stazionaria?

OK OK, ci penso io a rinfrescare la memoria!

La formuletta è 344/2D = 344/2*0,862 = 200 Hz

A 200 Hz avremmo una lunghezza d’onda di 1,7 metri. Ora vi voglio a eliminare la stazionaria con l’assorbente acustico!!

Quindi, che facciamo? Ci serve veramente tutto il volume di cui disponiamo?
Vediamo subito…

Ho fissato le misure esterne secondo il mio personalissimo gusto estetico: 90x20x30 cm (altezza, larghezza e profondità). Ho deciso di utilizzare mdf da 16 mm per il frontale e da 19 mm per tutti gli altri lati.

Per cui il volume interno massimo di cui possiamo disporre è di circa 37 litri. Il caricamento scelto rispetto i parametri di T&S dei due woofer è il Bass Reflex.

Per rispondere alla domanda usiamo BassBox e simuliamo:


Partendo dal grafico in basso a sinistra, abbiamo che
1. la risposta appare estesa e lineare;
2. la potenza acustica è “calante” sotto i 100 Hz;
3. il ritardo di gruppo è abbastanza elevato;
4. con soli 30watts in ingresso portiamo il cono fuori Xmax già tra 50-70 Hz;
5. la potenza massima in ingresso è molto modesta, meno di 10 watts sotto i 70 Hz.

Risultato: 37 litri sono troppi!

Proviamo a trovare un valore ottimale, giochiamo con il simulatore.. e magia, vediamo cosa succede con scarsi 20 litri (curva blu):


Commenti alle simulazioni:
1. la risposta appare chiaramente meno estesa ma guadagniamo un pizzico di sensibilità sopra i 60 Hz;
2. la potenza acustica è considerevolmente superiore fino ai 50 Hz;
3. il ritardo di gruppo è dimezzato;
4. con 30watts in ingresso il cono resta tra i limiti di escursione massima fino a 45 Hz;
5. la potenza massima in ingresso è praticamente il doppio fino a 60 Hz.

Cercando di immaginare il suono dei due diffusori, nel primo caso si otterrebbe un basso sì esteso, ma lento e confuso… nel secondo mi aspetto il basso che mi piace, definito e fulmineo, con un’ottima risposta ai transienti!

Con la dimensione verticale di 50 cm, la stazionaria si sposta a 372 Hz con una lunghezza d’onda di 92 cm… molto più facile da “curare” anche grazie al coefficiente di assorbimento maggiore del materiale assorbente a tale frequenza.

Non ho più dubbi, per cui userò circa 20 dei 37 litri disponibili per il bass reflex e il restante spazio verrà utilizzato per contenere i crossover.

Misura dei Parametri Thiele-Small


Dopo aver scaldato a sufficienza le bobine dei W5-1367, siamo pronti a misurare i parametri di Thiele-Small. Il metodo di misura utilizzato è quello della massa aggiunta.

Procedura Passo Passo:

1 – ho etichettato rispettivamente con le lettere A,B,C e D i quattro woofer, applicando un’etichetta adesiva sul retro del magnete;

quindi, per ogni woofer:

2 – ho misurato la resistenza in dc con il tester: 6,6 ohm esatti come dichiarato;

3 – ho misurato con LIMP la curva d’impedenza in aria libera;

4 – ho pesato 8,5g di blu-tack diviso in 4 palline con il bilancino di precisione e le ho applicate al woofer;



5 – ho rimisurato la curva d’impedenza in aria libera + massa aggiunta;

LIMP ci tira fuori i parametri T&S a partire dalle curve 3 e 5.

Riepilogando, ho ottenuto questo:


Considerando le tolleranze costruttive e gli errori di misura, direi che i dati misurati si discostano in maniera accettabile da quelli dichiarati (vedi Valori Medi vs Dichiarati):
- Fs più alta (dovrebbe comunque scendere con l’utilizzo);
- Qms addirittura più alto del dichiarato (molto bene!);
- Vas più ridotto (dovrebbe salire man mano che spider e sospensioni si ammorbidiscono e il Cms sale);
- Sensibilità più alta, siamo quasi a 90 dB con 2,83V/1W.

Non ci possiamo lamentare.

Proviamo ora a inserire i dati misurati medi in Bass Box:


E confrontiamo nuovamente quanto simulato con i dati della casa (curve gialle), con i dati misurati (curve rosse):


Lo scostamento è minimo, possiamo andare avanti con la realizzazione!

Misure

Cominciamo con le prime misure:

Curve impedenza Ciare PT383


Curva impedenza Tang Band W5-1367 in box


Altoparlanti non filtrati, risposta in Asse Tw a 1 m


Altoparlanti non filtrati, risposta a 45° in Asse Tw a 1 m


Dispersione orizzontale Ciare PT383 in Asse Tw a 1 m




Dispersione orizzontale Tang Band W5-1367 in Asse Tw a 1 m




Condotto Reflex NF


Condotto Reflex CSD


Distorsione Ciare PT383


Distorsione Tang Band W5-1367


Misura Tang Band W5-1367 Near Field


CSD Tang Band W5-1367



Commenti alle misure:

- Il Ciare PT383 è un ottimo componente: sebbene la risposta in frequenza sia calante avvicinandoci ai 20 KHz, comprensibile data la cupola da ben 38mm, i punti di forza di questo componente sono la tenuta in potenza, l’ottima sensibilità, la tutto sommato buona dispersione polare (aiutata anche dalla guida d’onda) e la distorsione contenuta. Ciò ci consentirà di incrociarlo molto in basso senza patemi d’animo. Il picco a 4,5 KHz credo sia prodotto da qualche diffrazione del mobile, oppure, dalla vicinanza delle flange dei due woofer.

- Dalla misura in campo vicino dei TB emerge chiaramente la frequenza d’accordo: 55 Hz esatti come da simulazioni. La risposta in frequenza appare un po’ troppo travagliata tra i 500 e 1.000 Hz, soprattutto, nel fuoriasse. La CSD in campo vicino, esclude la presenza di stazionarie all'interno del box, segno che i rapporti aurei e l’assorbente funzionano. Vi ricordo che date le dimensioni interne del mobile 0.462 m, 0.162 m e 0.262 m, le frequenze di possibili onde stazionarie sono rispettivamente 372 Hz, 1062 Hz e 656 Hz.

- Dalla misura del condotto reflex viene fuori un po’ di “sporcizia” in gamma media. Questo è uno dei motivi per il quale NON posiziono più il reflex sul baffle frontale. Fortunatamente, la CSD rivela che decadono abbastanza in fretta. La posizione sul baffle posteriore e un opportuno posizionamento in ambiente dovrebbe salvaguardarci da problemi di interferenze in gamma media.

Configurazione D’Appolito: dalla teoria alla pratica

In queste pagine non ho la pretesa di esporre la teoria del sistema D’Appolito – per una trattazione completa dell’argomento rimando all’articolo AES del 1983[1] - l’obiettivo è esclusivamente di fornire qualche breve cenno in modo da rendere comprensibile il perché di alcune scelte progettuali.

La configurazione MTM (Midwoofer Tweeter Midwoofer) venne proposta da Joseph D’Appolito come un approccio geometrico per eliminare la formazione di lobi nella risposta polare verticale di un diffusore a due vie tipico TM (Tweeter Midwoofer).

Confrontiamo entrambe le configurazione per chiarirci le idee prendendo in esame come esempio un filtro Butterworth del terzo ordine. Le immagine seguenti sono estratte dall’articolo Vertically Symmetric Two-Way Loudspeaker Arrays Reconsidered di Mithat F. Konar – Biro Tecnology[2].

Sistema classico TM



Sistema MTM



Nel suo articolo D’Appolito ha mostrato matematicamente come calcolare la formazione dei lobi e ha confrontato i risultati ottenuti con un sistema MTM e diverse tipologie di filtro crossover. Dal suo studio si evince che i migliori risultati si ottengono con filtri Butterworth di ordine dispari, in particolare, con una Fc (frequenza di crossover) strettamente legata alla distanza d.

Segue un esempio dell’optimum ottenibile con un sistema MTM, un filtro Butterworth del terzo ordine e la distanza d = 2/3 λc:
Il crossover passivo sarà, quindi, del terzo ordine acustico Butterworth, con Fc calcolata considerando la distanza “d” tra il centro del woofer e il centro del tweeter secondo la relazione:


(λc è la lunghezza d’onda della frequenza di crossover)

Nel nostro caso d è pari a 13,25 cm, trattandosi della distanza minima ottenibile montando gli altoparlanti il più vicino possibile.

Ma non si doveva calcolare d dipendentemente dalla Fc scelta?

Invece, ho fatto l’esatto contrario: ho fissato d e ho calcolato la Fc!

Data d = 13,25 cm = 0,1325 m, usando la formula inversa, si ottiene

5 m

da cui segue che la frequenza di taglio dovrà essere

Hz


Riferimenti:
[1] A geometrical approach to eliminating lobing error in multiway loudspeakers – Joseph D’Appolito – presented at the 74th AES Convention 1983 October 8-12 New York

[2] http://www.birotechnology.com/articles/VSTWLA.html

Crossover

Caricate le curve degli ap in lspCAD


Il crossover che vi mostro è del terzo ordine acustico Butterworth, l’Fc calcolata in base all’interasse tra i due woofer è di 1.730 Hz. Ciò ci consente di implementare il sistema D’Appolito originale.

Le nostre curve target




La risposta in asse ottenuta


Check sulla Fc e sulla correttezza di fase del filtro


Lo schema del crossover


Da notare che la pendenza acustica del III ordine è ottenuta con un passa alto del I ordine elettrico sul Ciare PT383 e con un passa basso del III ordine elettrico sui TB W5-1367. Sia il tweeter che i woofer sono collegati a polarità invertita.

Sul Ciare PT383 sono stati sperimentati filtri di tutti i tipi e ordine. Ho giocato molto in simulazione per capire pro e contro delle varie soluzioni. Dopo molte prove, sono giunto alla conclusione che a causa della bassa frequenza di taglio e del picco d’impedenza alla Fs del Ciare, è assolutamente necessario inserire la cella RLC in parallelo rappresentata nello schema. Il filtro adottato consente di limitare al massimo i componenti in serie al segnale.

Inserita una RLC anche sui woofer, questa volta a causa di una “gobba” nella risposta tra i 600 e gli 800 Hz.

Curva d’impedenza misurata (con crossover)


La risposta in salita alle alte frequenze non deve assolutamente preoccupare. La risposta totale sarà sempre “somma” della risposta in asse e dei fuoriasse, oltre naturalmente delle riflessioni ambientali. All’ascolto il risultato è molto convinvente, in estrema sintesi basso veloce e articolato, medie molto neutre e alti assolutamente non affaticanti.

RTA a terzi d’ottava al punto di ascolto, microfono a una distanza di 3 m dai diffusori:

Side effects: interferenza negativa

È tutto oro quello che luccica in un sistema D’Appolito oppure c’è qualche effetto collaterale da tenere sott’occhio? Naturalmente, la domanda è retorica.

Andiamo subito al nocciolo della questione: come in tutti i sistemi che fanno uso di altoparlanti multipli, per riprodurre lo stesso range di frequenza, si vengono a creare delle interferenze negative in bassa frequenza.

Perché?

In estrema sintesi, poiché i due woofer si trovano a una distanza diversa dal punto d’ascolto, l’output di uno dei due driver arriverà in anticipo mentre l’altro arriverà in ritardo. Questa lievissima differenza temporale si traduce in un effetto di interferenza nella somma delle risposte dei due driver.


La relazione[1] che lega l’interferenza negativa alle basse frequenze al variare dell’angolo sul piano verticale è la seguente:

-1|

Dove,

fx è la più bassa frequenza della cancellazione totale

[theta] è lo scostamento angolare sul piano verticale (il range va da -90° a 90°)

d è la distanza sul piano verticale tra H e L1(L2)

L è la distanza che intercorre tra il piano dei driver e il punto di ascolto Q

C è la velocità del suono

Ho riportato la formula in un file Excel per poterla applicare al nostro caso specifico. Sono evidenziati in giallo i campi di input e in verde l’output della formula sopra citata.

Vediamo cosa succede in bassa frequenza a 1 m di distanza (L), agli angoli 15, 30 e 45 gradi:


L’interferenza negativa a 15° si verifica a 2528 Hz, a 30° si verifica a 1307 Hz e infine a 45° ricade a 922 Hz.
Analizziamo il fenomeno in dettaglio servendoci di un simulatore che svolge efficacemente il suo lavoro.

Ho creato un nuovo sistema in AFW, impostate le giuste misure del baffle e gli offset tra gli altoparlanti.


E ho impostato il filtro passivo alla frequenza prestabilita utilizzando per semplicità delle risposte ideali per i driver in esame.


Prima simulazione: risposta polare verticale a 15°, distanza microfono di 1 m dall’asse del tweeter alla frequenza 2528 Hz.

Nel diagramma polare quasi non c’è traccia dell’effetto negativo, e l’emissione è praticamente sferica. Inoltre, nel nostro caso specifico l’interferenza a questa frequenza è poco significativa dato che avviene ben al di sopra della frequenza di crossover scelta.

La Fc prescelta ci garantisce una risposta senza problema alcuno sul piano verticale da -20° a +20°! Molto bene.

Seconda simulazione: risposta polare verticale a 30°, distanza microfono di 1 m dall’asse del tweeter alla frequenza 1307 Hz.

A 1300 Hz la flessione è più evidente, la formula funziona!

Per fortuna l’effetto non è affatto critico.

Terza simulazione: risposta polare verticale a 45°, distanza microfono di 1 m dall’asse del tweeter alla frequenza 922 Hz.

L’errore è ben visibile (vedi linea tratteggiata). Direi che è l’unica controindicazione – tutto sommato contenuta – del nostro D’Appolito.

Riferimenti:
[1] Vertically Symmetric Two-Way Loudspeaker Arrays Reconsidered (MITHAT F. KONAR, AES Member – Biro Technology) http://www.birotechnology.com/articles/VSTWLA.html

Finestra d’ascolto

Concludiamo gli argomenti dedicati al D’Appolito con un paragrafo dedicato all'altezza da terra del tweeter. Apparentemente può sembrare troppo in basso: si trova a circa di 72 cm da terra (considerando anche i piedini in gomma del diffusore).

Dico apparentemente perché molto spesso sento dire e leggo che il tweeter deve trovarsi all'altezza delle orecchie. La generalizzazione ci consente di aumentare il livello di astrazione quando siamo di fronte a un problema, ma dobbiamo sempre mantenere un giudizio critico e libero da dogmatismi di alcun genere.

Abbiamo già visto nel precedente paragrafo che nelle Wood Rook, nel range da -20° a + 20° non si ha alcun tipo di problema nella risposta polare verticale. Ciò è confermato oltre che da un punto di vista teorico, anche praticamente osservando la misura della dispersione orizzontale del Ciare PT383.

Approfondiamo ora il nostro studio utilizzando un pizzico di trigonometria. Disegniamo virtualmente un triangolo che congiunge:

il centro del Tweeter C
il punto di ascolto in asse A
il punto di ascolto fuoriasse B


Sia ora Y, il nostro angolo di 20°, possiamo calcolare quanto misuri la distanza c. In altri termini stiamo calcolando matematicamente l’altezza della finestra di ascolto!

Usiamo le formule:

Aiutandoci con un foglio di calcolo,

Otteniamo che a una distanza b di ascolto di 3 m dai diffusori, c misura 1,09 m. Cosa significa?

Significa che la nostra finestra di ascolto va da 72 cm a 1,81 m.

All'atto pratico, con un punto di ascolto a 3 metri di distanza, in barba alle apparenze sarà possibile ascoltare il diffusore stando seduti oppure restando in piedi senza avvertire differenze timbriche significative all'infuori del roll-off del tweeter sulle alte frequenze!


N.B. A titolo esemplificativo, in questo studio ho escluso il grande contributo delle riflessioni ambientali sul suono. Resta inteso che un bel tappeto a pelo lungo davanti i diffusori per assorbire la riflessione del pavimento è assolutamente consigliato!

Finiture

Applicazione fondo e lisciatura


Verniciatura




Assemblaggio Crossover











Finite!

Segue discussione qui:

https://www.tforumhifi.com/t25742-discussione-su-t-project-3-wood-rook-torri-a-2-vie-in-configurazione-d-appolito#409985