Attivo o passivo

Qualsiasi configurazione abbiate scelto, state certi che arriverà il momento di usare un crossover passivo anche per il vostro impianto car hi-fi. 

Nel bene o nel male dei crossover si è scritto e detto di tutto. Tuttavia, fino a quando non sarà inventato l'altoparlante capace di fare a meno di una rete crossover, ci ritroveremo ad armeggiare con bobine, resistenze, condensatori e saldatore.
Nel progetto di un impianto hi-fi car, a causa dell'ambiente in cui l'evento sonoro ha luogo e per le diverse soluzioni adottate di volta in volta, ogni possibile previsione teorica sul risultato è fortemente condizionata da troppi interrogativi rimasti aperti. Per cui è praticamente impossibile poter elaborare un sistema affidabile capace di darci dei punti di riferimento tali da farci capire se è meglio usare un tipo di woofer piuttosto che un'altro. L'unico riferimento valido non può che scaturire dalle esperienze personali.

Se siete d'accordo con quanto sopra detto, allora, sarete anche consapevoli che il crossover passivo rappresenta l'unico rimedio valido per poter supplire alle imperfezioni che puntualmente si presentano ad ogni Power On. 
A questo punto qualcuno potrebbe obiettare che ogni sistema di altoparlanti  deve essere equipaggiato con un crossover passivo tarato sulle specifiche dei trasduttori. Questo è vero, ma come sappiamo è possibile farlo solo quando sono noti tutti i dati del sistema medesimo. Quindi, caratteristiche degli altoparlanti, volume di carico acustico, distanza dei centri d'emissione sia in senso verticale che orizzontale ed un mucchio di altre cose maledettamente complicate. Provate a farlo in un car audio! Resterete delusi del risultato e deciderete di fare qualche piccola modifica. Come volevasi dimostrare.

Schema crossover 3 vie pendenza 12 db.

Lo schema che ho realizzato (questa volta un tantino meglio) rappresenta la configurazione abbastanza elementare di un crossover a tre vie con pendenza a 12 db per ottava.

In genere è sempre opportuno iniziare da configurazioni molto semplici per poi stabilire se è necessario fare modifiche e perfezionamenti. Molto spesso mi è stata rivolta la domanda: "se monto tre altoparlanti con un crossover passivo e lo collego all'amplificatore l'impedenza è sempre 4 ohm"? La risposta è NI. E' si da un punto di vista puramente teorico e supponendo che gli altoparlanti si comportino come resistenze. E' no perchè gli altoparlanti si comportano in tutti i modi tranne che resistenze. Di conseguenza avremo che per certe frequenze l'impedenza sarà inferiore e per altre sarà superiore al valore nominale di partenza. Questo è un grosso guaio, ma non per noi che intendiamo perfezionare il nostro crossover sul campo. Nel car audio esistono tanti problemi però la necessità di dover configurare, tarare, regolare, perfezionare, riascoltare e ritarare, alla fine produce sempre il risultato voluto. Infatti, avremo ottenuto un sistema audio plasmato nell'ambiente in cui l'evento sonoro sarà riprodotto. 
Per avere successo è necessario mettere insieme una buona dose d'informazioni, tanta esperienza e consapevolezza del risultato che è possibile raggiungere a seguito di un grande impegno.
  

Abbiamo già visto che ogni crossover passivo presenta due caratteristiche che lo distinguono nettamente: la frequenza di crossover (comunemente detta frequenza di taglio) e la pendenza. 

• Molti si chiedono se esiste anche il dato sulla potenza che il crossover può reggere.
  • Il dato esiste ma raramente viene espresso. Molto più indicativo è osservare quali sono le caratteristiche dei singoli elementi e dedurre la potenza applicabile. Questo sarà l'oggetto del prossimo paragrafo.
• Sul corpo dei condensatori sia elettrolitici sia in film plastico è indicato il valore di tensione applicabile, ad es. 100V. Ciò significa che l'isolamento del condensatore è affidabile per tensioni fino a 100 volt, superate le quali il  dielettrico che separa le armature può essere perforato con conseguente corto circuito fra le armature. Alle armature fanno capo i due terminali esterni che useremo per collegare il condensatore al circuito, in caso di corto il componente non potrà filtrare i segnali e il suo comportamento sarà simile a quello di uno spezzone di cavo elettrico. In queste condizioni un condensatore adibito alla filtratura di un tweeter, in breve tempo causerà il surriscaldamento della delicata bobina mobile del tweeter con conseguenze facilmente immaginabili.  I condensatori elettrolitici per uso audio differiscono dai comuni condensatori poiché non hanno verso di collegamento, essi sono NP cioè Non Polarizzati. I valori di tensione possono partire da 16 volt ed arrivare anche a 1000 volt nelle versioni destinate ad equipaggiare crossover usati in sistemi professionali. Concludo questa breve parentesi sui condensatori ricordando che nel ramo del tweeter è sempre molto importante usare condensatori del tipo in film plastico e con tensione di lavoro 100volt. Mentre per medi e woofer possono essere usati i più economici elettrolitici, sempre con tensione di lavoro 100volt.
  • Relativamente alle bobine e la potenza che possono sopportare c'è da dire che nel caso di sovraccarico non ci sono conseguenze per gli altoparlanti però l'efficacia del componente non sarà più la medesima. Esistono due tipi di bobine: avvolte su nucleo e avvolte in aria libera. Gli induttori avvolti su nucleo reggono potenze proporzionali alla qualità della lega usata per essere impiegata nella costruzione del nucleo. Un materiale molto comune e la ferrite. La funzione del nucleo è aumentare il valore espresso in mH della bobina. Avremo così, che una bobina su nucleo presenta un avvolgimento relativamente breve ed un valore di impedenza alto, con il vantaggio di introdurre la minima attenuazione di potenza. Si pensi ad una bobina sul ramo positivo di un woofer servito da un amplificatore di 40 watt, sicuramente la scelta migliore è l'uso di un induttore su nucleo. 
  • Le bobine avvolte in aria sono adatte quando le potenze in gioco superano i 75 watt RMS. Il vantaggio è che essendo prive di nucleo mantengono inalterato il valore di impedenza anche in condizioni di carico estremo. Perché il tutto risulti veramente vantaggioso è necessario che le bobine siano costruite rispettando tutti i dati di progetto scegliendo per la formazione dell'avvolgimento ottimi conduttori di generoso diametro. In genere le bobine avvolte in aria di ottima qualità hanno un costo molto superiore alle equivalenti avvolte su nucleo, sopratutto quelle destinate a filtrare i woofer.
  • Le resistenze utilizzate nei crossover passivi dovrebbero essere ad impasto ed avere un valore di potenza dissipabile adeguato all'uso. In realtà, sono usate le resistenze a filo resistivo e la ragione è che sono più economiche e facilmente reperibili. La scelta della potenza dissipabile deve tenere conto del punto dove la resistenza è impiegata. Ad esempio, se vogliamo attenuare un medio piuttosto che un tweeter è più opportuno usare un valore di 10 watt, ed ancora, se il valore della resistenza in ohm è particolarmente elevato (diciamo superiore a 6,8 ohm) e la potenza dell'amplificatore supera i 60 watt è buona norma usare potenze di 15 watt. 

Analisi del circuito

Lo schema del crossover presentato in questa pagina prevede tre celle di filtro che, partendo dall'alto verso il basso, avranno il compito di dividere le frequenze tra tweeter, medio e woofer. Il calcolo dei valori dei singoli componenti può essere fatto con appositi software oppure con l'uso delle formule. Il risultato è determinato da due dati di partenza essenziali: la frequenza di crossover (Fc) ed il valore d'impedenza espresso in ohm di ogni altoparlante (Z). Relativamente il valore d'impedenza potremmo aprire un intero capitolo ma in questa sede ci limiteremo a dire che è puramente indicativo, tuttavia, il dato fornito dal produttore è l'unico di cui disponiamo e lo prenderemo per buono. 
Per la frequenza di crossover prenderemo a modello due sistemi a tre vie, dove in uno abbiamo un medio a cono da 13 cm e nell'altro un medio a cupola da 5 cm di diametro. Chiaramente il medio da 13 ha una maggiore capacità di riprodurre frequenze più basse, mentre quello a cono si spinge facilmente oltre i 7000 hz (frequenze alte). Di conseguenza la frequenza di crossover del sistema con medio di 13 cm potrebbe essere 500/3500 o anche 400/4500. Il sistema con medio a cono per forza di cose avrà valori diversi che potrebbero essere 800/5000 oppure 1200/6500. I dati appena forniti logicamente sono valori medi da cui si può partire per poi affinare in fase di tarature. E' altresì vero che la scelta delle frequenze di crossover dipende dalla distanza che separa gli altoparlanti e dal punto in cui gli stessi sono stati sistemati. 
Spesso per problemi di spazio il medio viene installato nella parte centrale dello sportello, quindi, ben al di sotto di quella che è la linea immaginaria che passa ad altezza degli occhi. In questo caso in fase di progetto sarà opportuno dotare il sistema di un buon tweeter capace di scendere verso le medie frequenze e si cercherà di limitare l'intervento del medio a circa 3000 hz. Così facendo specialmente le voci dei cantanti risulteranno appena sotto la linea dei tweeter e non daranno la sgradevole sensazione di essere state rinchiuse nello sportello! 
Ho preparato un grafico che visualizza la differenza tra una frequenza di crossover  posta a 5000 hz e quella posta a 3000 hz. La figura sotto rappresenta la risposta complessiva di un sistema a tre vie. La linea Bianca con Fc 800/5000 e la linea Fucsia mostra la risposta dello stesso sistema, ma con Fc 800/3000. (Il grafico è stato tracciato non tenendo conto della risposta degli altoparlanti)

  Si notano due indicazioni Ve=5 gradi e Or=25 gradi. "Ve" è riferito all'angolo, in senso verticale, che il microfono di misura ha rispetto al tweeter; "Or" lo stesso ma in senso orizzontale. Come già anticipato sopra la traccia del grafico non tiene conto della risposta degli altoparlanti, ciò significa che le curve risultanti sono state tracciate come se gli altoparlanti fossero delle resistenze. La vistosa differenza che esiste nella zona centrata a 5000 hz è dovuta alla maggiore capacità del tweeter di irradiare quella porzione di frequenze, rispetto agli angoli d'ascolto, e non per le caratteristiche intrinseche dell'altoparlante ma per il suo diametro. Avete già capito che il fenomeno è regolato dai principi sulla dispersione angolare a cui nessun altoparlante può sottrarsi.

La dispersione angolare.

Gli altoparlanti hanno capacità di propagare i suoni in ogni direzione fino ad una frequenza la cui lunghezza d'onda sia pari al doppio del diametro nominale dell'altoparlante stesso. Al di sopra di detta frequenza tutti gli altoparlanti tendono a diventare unidirezionali propagando le onde acustiche in asse. Facciamo mente locale sulla posizione dei nostri super woofer ultimo modello pagati una fortuna e capiamo subito che siamo fregati! Ma non è detta l'ultima parola. Ritorniamo alla dispersione. 
Prendiamo il giro largo ed iniziamo con il considerare la frequenza dei suoni e la lunghezza d'onda. Sappiamo che le onde acustiche hanno un andamento sinusoidale, fig. 1. Ogni onda è composta da un semiciclo positivo ed uno negativo. Possiamo considerare come semiciclo positivo l'avanzamento del cono di un woofer e come semiciclo negativo il suo arretramento, rispetto al punto di riposo. I punti a e b segnano l'inizio e la fine di un ciclo completo. I cicli sono scanditi dalla frequenza di un suono. Per frequenze alte avremo cicli brevi, per frequenze basse avremo cicli lunghi. La distanza che un suono copre nell'aria nel tempo di un ciclo è la lunghezza d'onda.   

La facile conclusione è che i suoni bassi avranno una lunghezza d'onda maggiore di quelli alti che, come già sappiamo, hanno una frequenza superiore. Un semplice calcolo ci indica fino a quale frequenza è possibile spingere un altoparlante senza avere fenomeni di direzionalità: basta dividere la velocità del suono per il doppio del diametro effettivo del cono o cupola. Proviamo con un medio da 10 cm il cui diametro effettivo sia 75mm.
Dividiamo 344 per 150, dove 344 è la velocità del suono e 150 il doppio del diametro espresso in millimetri. Il risultato è 2,3 Khz. Avremo, che per frequenze minori a 2,3Khz il nostro medio propagherà in tutte direzioni, mentre diverrà sempre più direttivo al salire della frequenza. Per un woofer da 16,5 cm, quale sarà il punto di transizione? Indovinato, é circa 1,3 Khz. E per un tweeter da 25 mm? Si, 6,8 Khz. Lo so vi state chiedendo perchè tutti i tweeter sono dichiarati per risposte in frequenza fino a 20 khz. La ragione è che adottando particolari tecniche è possibile "deviare" il percorso del suono e non bisogna dimenticare che ponendosi all'ascolto di fronte all'altoparlante il fattore dispersione non influisce. Avremo, quindi, che un woofer, un medio o un tweeter possono arrivare ad emettere in tutte le direzioni per frequenze pari al doppio di quelle calcolate con la formula sopra data. La conoscenza di tale fenomeno anche se non vi migliorerà la vita, vi farà comprendere perchè è particolarmente importante curare il progetto del crossover passivo e il posizionamento degli altoparlanti in abitacolo.   

In conclusione

Quando scegliamo le frequenze di crossover ricordiamoci di considerare due parametri fondamentali: la Frequenza di Risonanza (Fs) e il diametro effettivo dell'altoparlante. I calcoli li faremo basandoci sul dato di Impedenza fornito dal costruttore. Ma cos'è l'impedenza e come si calcola? In che modo influisce sulla resa di un sistema audio? L'impedenza sarà l'oggetto della prossima pagina.

L'impedenza