Guida Boxsim: curve target

 

Autori: Francesco Canora, Diego Sartori (www.dibirama.it)
Revisione: 01
Data: 09/07/2015

SCOPO DELLA GUIDA

Scopo di questa breve guida è illustrare che anche con il software gratuito di simulazione per la realizzazione di sistemi di altoparlanti “Boxsim” della Visaton, si possono creare e utilizzare delle curve target (bersaglio) da far seguire alle risposte acustiche dei nostri altoparlanti, al fine di ottenere con più facilità determinati andamenti della risposta acustica. Questa possibilità è presente anche in altri software di simulazione più evoluti, fra cui citiamo l’italiano e ottimo AFW (Audio for Windows, sostituito da ALAB + LDS), LSPCAD, LEAP, VituixCAD.
Ricordiamo brevemente che, in genere, la risposta in frequenza del nostro altoparlante è quella che misuriamo con un microfono in asse a una certa distanza dall’altoparlante e rappresenta una “istantanea” del comportamento dell’altoparlante in banda audio, più il suo eventuale filtro.
Compatibilmente con le dimensioni dell’altoparlante, che impongono delle distanze minime per la rilevazione della corretta risposta acustica, più siamo vicini con il microfono, più siamo sicuri che ciò che misureremo sarà meno inquinato dalle riflessioni ambientali. Solitamente, la risposta in frequenza viene misurata in asse, su un pannello normalizzato, a 1 m di distanza e con un segnale di 2,83 V. Molti posizionano a 0,5 m il microfono ed attenuano di 6 dB la misura, in modo da ottenere il livello equivalente a 1 m. In questo modo si tende a ridurre l’influenza dell’ambiente e delle dimensioni fisiche del pannello, approssimando le condizioni di semispazio. I costruttori più seri, descrivono chiaramente in che modo le misure sono state effettuate.
La risposta dei nostri altoparlanti può essere vista come un filtro passa-banda naturale, con pendenza all’estremo basso (roll-on) di 12 dB/Oct e all’estremo alto alto (roll-off) maggiore di 12dB/Oct (in genere fino a 24 dB/Oct). Supponiamo di prendere un woofer che abbia un passa-basso naturale con pendenza di circa 12dB/Oct. Se inseriamo un filtro del secondo ordine ad una frequenza vicina alla zona in cui la risposta del woofer comincia a calare, la pendenza della risposta acustica sarà la somma di quella del woofer più quella del filtro e otterremo una pendenza prossima a 24 dB/Oct.
Impostando correttamente le curve target, cercheremo di far seguire alla risposta acustica del singolo altoparlante un andamento LR4, cioè la funzione di trasferimento di un filtro del quarto ordine Linkwitz-Riley.
Questa strategia di cross-over è particolarmente apprezzata da chi progetta sistemi di altoparlanti, perché coniuga una corretta risposta in frequenza a un favorevole andamento della fase acustica, rappresentando di fatto un buon compromesso per ottenere performance acustiche apprezzabili.
Una volta fatto in modo che le risposte acustiche dei due altoparlanti, seguano il più possibile la pendenza di 24 dB/Oct delle singole curve target, verificheremo che la risposta complessiva sia vicina a quella teorica (incrocio a -6 dB e risposta in asse piatta). Stiamo ragionando in modo abbastanza semplificato al fine di prendere confidenza con il software, ma sarà comunque un buon punto di partenza per prevedere il comportamento di questo o altri sistemi di altoparlanti seguendo un metodo logico.
Vedremo, inoltre, che è possibile seguire due metodi per impostare le curve target. Il primo metodo che illustreremo farà uso dei filtri passivi, mentre nel secondo impiegheremo i filtri attivi e, come vedremo, quest’ultima procedura sarà pure più rapida.

NB: nella versione 2.0 di BOXSIM, è stato tutto notevolmente semplificato: basta infatti cliccare su "show theoretical filter", nella pagina della risposta in frequenza principale e impostare i filtri desiderati.

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Letture propedeutiche consigliate:
-          Guida Boxsim sul sito diBirama di Diego Sartori: https://www.dibirama.it/tecnica/simulazioni/boxsim-sistema-2-vie.html
-          Audioreview: teoria e pratica delle reti crossover: https://www.audioreview.it/tecnica/guide-avanzate/la-teoria-la-pratica-delle-reti-crossover.html
-          Renato Giussani: reti crossover: http://www.renatogiussani.it/le-reti-di-crossover/

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METODO CON FILTRI PASSIVI

Scegliamo per questo esempio, come woofer e tweeter, gli Audax HM170Z18 ed il TW025A0. Abbiamo selezionato degli altoparlanti molto validi, ma con caratteristiche tali da non facilitarci troppo il lavoro.
Sul sito “www.dibirama.it” di Diego Sartori trovate i test su questi altoparlanti, i relativi file di risposta e impedenza e, nella sezione “Download”, la cartella compressa “Boxim_curve_target”, contenente il file che utilizzeremo per realizzare questa guida e il testo in formato PDF.
La scelta della frequenza di taglio avviene dopo aver considerato alcuni aspetti progettuali, derivanti, in primis, dalle caratteristiche degli altoparlanti a disposizione fra cui la risposta fuori asse, la distorsione e la CSD (cumulative spectral decay), ma in questo caso ci prenderemo qualche “licenza”, sempre a titolo semplificativo.

Per le operazioni di preparazione del sistema (caricamento file, ecc.) fare riferimento alla guida generale su Boxsim: https://www.dibirama.it/tecnica/simulazioni/boxsim-sistema-2-vie.html.
Il file al quale facciamo riferimento è “Boxsim_curve_target.bpj”, che possiamo già caricare. Di seguito vediamo le operazioni che ci hanno consentito di realizzarlo. Se si vuole lavorare direttamente su questo file conviene creare una cartella di back-up per evitare di sovrascrivere quello originale.
Apriamo Boxsim e creiamo un progetto con 4 altoparlanti: i primi due saranno gli altoparlanti reali, gli altri due saranno quelli fittizi con cui realizzeremo le curve target.
Partiamo dal tweeter caricando un trasduttore dal data-base Visaton, per acquisire dei parametri di T&S generici e inseriamo poi quelli disponibili forniti dal costruttore, eventualmente riscrivendo quelli già presenti. Se non fossero disponibili tutti i parametri, si possono lasciare quelli presi da un tweeter Visaton generico, già presente in archivio e caricare risposta e impedenza dell'altoparlante che interessa a noi, come vedremo di seguoto. I parametri di un tweeter servono a poco, per i nostri scopi. A noi interessano soprattutto le curva di risposta in frequenza e impedenza realistiche.

Carichiamo i file di risposta a 0° e impedenza presi dall’archivio altoparlanti diBirama, come visibile in Figura 01.

Figura 01: inserimento dati del tweeter

Il tweeter ha un proprio carico acustico e va impostato come in Figura 02.

Figura 02: carico acustico del tweeter

Dimensioniamo il pannello su cui alloggiare gli altoparlanti (possiamo aiutarci con una tabella in cui vengono definiti alcuni rapporti aurei, particolarmente indicati per impieghi nei diffusori acustici, oppure cercare delle proporzioni gradevoli, che consentano di posizionare gli altoparlanti con una certa libertà).
In Figura 03 vediamo come definire le proporzioni del pannello. Per facilitarci la vita cerchiamo di limitare le diffrazioni da spigolo, smussando abbondantemente i bordi del pannello e posizionando il tweeter in modo leggermente disassato rispetto all’asse verticale del diffusore.

Figura 03: posizionamento del tweeter

Passiamo al woofer, inserendo i parametri e caricando risposta e impedenza come in Figura 04.
Arretriamo il centro a acustico di 15 mm e clicchiamo anche su “Calculate Re and Le from impedance response”.

Figura 04: inserimento dati del woofer

Carichiamo il woofer in un volume di 18 litri e lo accordiamo a 41 Hz. Questo woofer può lavorare anche in volumi più piccoli, ma per ottenere un po’ di estensione in più aumentiamo di qualche litro e accordiamo più in basso come si vede in Figura 05.

Figura 05: caricamento del woofer

Definiamo le dimensioni del pannello del woofer (uguale a quello del tweeter) e posizioniamo l’altoparlante come in Figura 06.

Figura 06: posizionamento del woofer

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Gli altoparlanti 3 e 4 sono quelli fittizi nei quali caricheremo i dati di due trasduttori ideali e le risposte in frequenza e impedenza tramite i file “RispIdeale.txt” e “ImpIdeale.txt”, che troviamo nella cartella compattata. Chiameremo “Ideale1” e “Ideale 2” questi due altoparlanti fittizi. In Figura 07 vediamo l’inserimento dei parametri di “Ideale 1”.
Va ricordato che il file “RispIdeale.txt” prevede una risposta piatta con livello di 90 dB, mentre “ImpIdeale.txt” identifica una impedenza perfettamente resistiva da 8 Ohm per tutta la banda audio.
Per rappresentare gli altoparlanti ideali faremo in modo che la loro emissione non venga alterata dal pannello in cui sono installati, grazie alle opzioni che Boxsim mette a disposizione.
La sensibilità in zona lineare del woofer Audax vale circa 88 – 89 dB e l’esperienza, unita a un po' di ottimismo, ci suggerisce che da un sistema del genere ricaveremo indicativamente un diffusore con sensibilità media di 86 dB (per convenzione, da 200 a 10000 Hz). Per questo motivo, allineeremo la sensibilità del nostro altoparlante ideale a 86 dB, cliccando su “Modify level” e inserendo il valore “-4”. Per quanto riguarda i parametri di T&S, possiamo inserire dei valori come in Figura 07.

Figura 07: Inserimento dati del primo altoparlante ideale

Questo altoparlante avrà un proprio carico acustico come in Figura 08.

Figura 08: Carico acustico del primo altoparlante ideale

La posizione di questo altoparlante sarà come in Figura 09. Si noti che, in questo caso, non vanno selezionati i quattro flag “Diffraction at baffle”, in modo che il software consideri un’istallazione in semispazio, quindi priva di effetti come il baffle-step e le diffrazioni sugli spigoli.

Figura 09: posizione primo altoparlante ideale

Copiamo il driver “Ideale 1” sull’altoparlante 4 e elo chiameremo “Ideale 2”. Per copiare l’altoparlante si va in “Drivers & Enclosures/Copy driver”, si seleziona quello da copiare e lo si associa alla nuova unità, come in Figura 10.

Figura 10: copia altoparlante

Verifichiamo che il livello sia di 86 dB, altrimenti correggiamolo come abbiamo appena visto. Questo nuovo altoparlante sarà posizionato come in Figura 11.

Figura 11: posizione secondo altoparlante ideale

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Abbiamo terminato la predisposizione del sistema e possiamo iniziare con le simulazioni vere e proprie.
Conoscendo le caratteristiche degli altoparlanti impiegati e basandoci su considerazioni su cui ora non ci dilungheremo, sembra ragionevole realizzare un incrocio a 2500 Hz. Proveremo a tracciare delle risposte acustiche che seguano un allineamento “Linkwitz-Riley del 4° ordine” per entrambi i driver.
Prima di tutto calcoliamo i valori che ci servono per filtrare le risposte ideali. Dal menù “Extras\Dimensionig of standard crossover network” accediamo alla finestra visibile in Figura 12 e inseriamo la frequenza d’incrocio.

Figura 12: calcolo frequenze di taglio

Ci segniamo i valori ottenuti nel settore più in basso relativo al filtro del L-R del 4° ordine, usciamo e passiamo alla finestra di disegno del filtro passivo, dove realizzeremo i due rami di filtro passa-alto e passa-basso visibili in alto a sinistra nella Figura 13. Per tutte le operazioni sul cross-over faremo riferimento sempre a questa figura.

Figura 13: disegno del filtro per gli altoparlanti ideali

Si osservi che gli amplificatori sono collegati ai soli altoparlanti ideali, mentre l’ingresso dei filtri degli altoparlanti reali (li vedremo fra poco) sono cortocircuitati per evitare che vengano visualizzate anche le loro risposte. Inseriti i valori visti poc’anzi andiamo a verificare che le risposte degli altoparlanti fittizi ricalchino effettivamente i dettami teorici. In Figura 14, infatti, vediamo che le due risposte s’incrociano esattamente a 2500 Hz ad un livello di -6 dB (80 dB) e la loro somma determina una risposta perfettamente piatta per tutta la banda audio.

Figura 14: visualizzazione risposte target

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Abbiamo finalmente realizzato le nostre curve target. Ora non ci resta che disegnare un crossover per i nostri altoparlanti reali, in modo da “inchiodare” le loro risposte in frequenza a quelle ideali appena visualizzate.
Apriamo nuovamente la finestra di definizione del filtro passivo e inseriamo un paio di amplificatori sui filtri che fanno capo agli altoparlanti reali, come in Figura 15.

Figura 15: disegno dei filtri per gli altoparlanti reali

Torniamo al grafico di risposta in frequenza, lasciamo a Boxsim qualche secondo per calcolare le nuove curve e otterremo il grafico di Figura 16.
La risposta del woofer segue fedelmente la curva target; quella del tweeter approssima bene un buon tratto della propria linea ideale, per poi discostarsi lievemente nella zona in bassa frequenza: un risultato più che accettabile, tanto che non riteniamo sia necessario complicare ulteriormente il filtro per ottenere una maggior precisione.

Figura 16: curve target e risposte reali

La curva nera che si trova ad un livello superiore non è realistica, in quanto rappresenta la somma delle curve target con quelle reali. Per visualizzare solamente la somma delle curve reali basterà tornare nella finestra di definizione del filtro e cortocircuitare le sezioni di filtro relative agli altoparlanti ideali, eliminando gli amplificatori, come si vede in Figura 17.

Figura 17: disattivazione curve target

Infine entriamo nuovamente nella schermata delle risposte acustiche per verificare il risultato. Come possiamo apprezzare in Figura 18, sono scomparse le curve target e la risposta dei due altoparlanti reali presenta una transizione praticamente perfetta in zona d’incrocio, esattamente come ci aspettavamo che fosse.

Figura 18: risposte acustiche finali degli altoparlanti reali

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METODO CON FILTRI ATTIVI

Passiamo al secondo metodo che ci consentirà rapidamente di impostare le curve target mediante l’uso dei filtri attivi. Il file di riferimento è “Boxsim_target_attivi.bpj”.
Ovviamente, gli altoparlanti e il tipo di diffusore rimarranno identici a quanto già visto, perciò tutto quello che concerne la preparazione del box e la disposizione degli altoparlanti non cambia. Andremo solo ad apportare alcune modifiche alle impostazioni del sistema. Molte operazioni sono uguali a quanto già visto, perciò indicheremo brevemente quali sono le sostanziali differenze rispetto al precedente metodo.
Durante la fase iniziale di definizione del progetto, dal menù “Project properties” scegliamo 3 amplificatori e i soliti 4 altoparlanti, come si vede in Figura 19.

Figura 19: preferenze del sistema; preparazione per filtri attivi

Una volta confermate le preferenze, troveremo tre amplificatori nella barra dei menù. Selezioniamo il menù “Amplifier 1/Edit crossover network…” e inseriamo gli altoparlanti reali con il loro filtro passivo che avevamo già definito precedentemente, come in Figura 20. Come si può notare è scomparsa la parte relativa agli altoparlanti ideali, che avevamo inserito nella zona a sinistra dell’area di disegno.

Figura 20: filtro passivo per gli altoparlanti reali

Usciamo e apriamo l’amplificatore due dal menù “Amplifier 2/Edit crossover network …”, dove disegniamo l’amplificatore collegato all’altoparlante ideale 3, come in Figura 21.

Figura 21: collegamento amplificatore all’altoparlante ideale 3

Usciamo nuovamente e selezioniamo “Amplifier 2/Active filter…”, dove inseriamo in cascata due filtri attivi passa-basso da 12 dB/Oct con fattore di merito 0.7, per realizzare un filtro LR del 4 ordine come visibile in Figura 22.

Figura 22: filtro attivo per amplificatore 2 su altoparlante ideale 3

L’altoparlante ideale 4 va collegato all’amplificatore 3 come abbiamo appena visto nelle due figure precedenti; il suo filtro sarà un passa-alto costituito da due celle da 12 dB/Oct in cascata, aventi il medesimo fattore di merito del passa-basso definito poche righe fa. A questo punto possiamo tornare nella schermata della risposta in frequenza e lasciare che Boxsim completi il calcolo delle risposte. Dopo un istante comparirà il grafico di Figura 23, che contiene al suo interno le risposte dei singoli driver e la loro somma, la quale, come avevamo già accennato, non è realistica, perché contiene le risposte di tutti i driver, reali e fittizi, inseriti nel sistema. Come si può notare, ancora una volta abbiamo creato due curve target esattamente uguali a quelle ottenute con gli elementi passivi.

Figura 23: risposte delle singole vie (altoparlanti reali e curve target)

Per visualizzare solamente le curve target o le risposte acustiche dei driver reali, basterà cortocircuitare gli amplificatori presenti nel menù relativo all’amplificatore 1 o quelli inseriti negli amplificatori 2 e 3.

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ALCUNE CONSIDERAZIONI IMPORTANTI

E’ bene chiarire che le soluzioni circuitali adottate in questa guida non garantiscono il miglior risultato sonoro, ma hanno il solo scopo di mostrare una possibile strategia per impostare un crossover, seguendo un approccio ragionato, ma che può essere considerato uno dei tanti possibili. Per esempio, non è detto che sia necessario compensare l’andamento in salita del tweeter attraverso la cella "LR parallelo" collegata in serie al trasduttore. Normalmente, infatti, si preferisce ottenere una risposta in asse lievemente enfatizzata sulle frequenze più acute, per compensare il calo energetico fuori asse tipico dei tweeter a cupola. Questo aspetto è ancor più vero nelle risposte misurate a brevi distanza (1 m o meno), che sono poco rappresentative del reale andamento della risposta, comprensiva del contributo ambientale nel punto d'ascolto (power response).
Il filtro sul mid-woofer che abbiamo scelto va in parte a compensare le perdite per diffusione o “baffle-step”. Questo fenomeno si verifica come un graduale calo di pressione (circa 6 dB/Oct) quando l’emissione dell’altoparlante passa da un angolo solido di 2 pi-greco steradianti a 4 pi-greco steradianti.
In sostanza, man mano che la frequenza emessa dall’altoparlante si abbassa (aumento della lunghezza d’onda), il pannello su cui sono montati gli altoparlanti non consente più di ottenere un’emissione solo frontale, ma viene “aggirato” dalle onde di pressione emesse dal trasduttore, causando una perdita di pressione sonora sull’asse frontale. Per la precisione, per un altoparlante installato in un volume chiuso posteriormente, il fenomeno inizia quando la metà della lunghezza d’onda è uguale alla larghezza del pannello.
Per esempio, nel pannello di questo diffusore, largo 22 cm, la perdita di pressione sonora in asse avviene a circa 780 Hz, come testimonia il grafico in alto a sinistra (curva blu), in Figura 24.

Figura 24: baffle-step dell’emissione del woofer

La scelta di compensare o meno il baffle-step dipende dal tipo di diffusore, dall’ambiente in cui verrà inserito e da come verrà posizionato. Esistono diverse scuole di pensiero, tuttavia una parziale compensazione di questo fenomeno, ottenuta semplicemente tramite l’azione di un filtro passa-basso (come abbiamo visto in questa guida) consente di ottenere, generalmente, un buon bilanciamento della resa acustica in ambiente. E' abbastanza raro, infatti dover utilizzare una cella di compensazione, del baffle-step, poichè il fenomeno può essere tenuto a bada semplicemente impostando opportuni valori del filtro.
Le fasi di ottimizzazione di un diffusore acustico passano anche per un’attenta valutazione delle prestazioni fuori asse, sia sul piano orizzontale che verticale. In questo caso, abbiamo deliberatamente sorvolato su alcuni aspetti più tecnici, per non appesantire troppo la trattazione, lasciando all’utente finale la libertà di sperimentare soluzioni personali.

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Scarica il file usato per il tutorial su BOXSIM - Curve target
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