Riduzione della fatica di ascolto mediante sistemazione ottimale di SPK dedicati al radio ascolto by Mario IK1SPF



Questo progetto è nato dall'esigenza di ridurre la fatica del radio ascolto, quando è protratto per lungo tempo.
La soluzione adottata impiega alcune regole di base utilizzate in campo Hi Fi circa l'impiego di altoparlanti utilizzate per le medie frequenze.



Una vista parziale del posto che divido con la stazione Radio di casa, dove trascorro parte del mio tempo libero, spaziando in lungo e in largo nel campo dell'elettronica, procurandomi sempre qualcosa da studiare.

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Ho pensato di mettere sul sito questa soluzione che ha permesso di ridurre la fatica nelle lunghe sessioni di ascolto, questa pagina contiene anche un po' di indicazioni nella scelta di altoparlanti in base al loro impiego.

Gli RX radioamatoriali analogici o digitali che siano, di solito rimangono penalizzati nelle loro prestazioni audio dal contenitore dal layout inadatto, potendo contenere solo piccoli altoparlanti, per giunta di scarsa qualità, condizioni per cui il Sound Pressure Level (SPL), decresce al diminuire della frequenza oltre a essere affetto da fastidiose risonanze, con deformazione della risposta dei nostri amati filtri IF, di solito si supplisce con uno SPK esterno di maggiori dimensioni, purtroppo, a meno che non siano auto-costruiti, vengono montati in contenitori poco osservanti delle regole dell'acustica.

Ovviamente l'impiego di una cuffia risolve il problema, ma: a meno che non sia costruita per comunicazioni vocali, (molto rare e costose), le cuffie normali hanno caratteristiche poco adatte a questo scopo e quando fa caldo danno fastidio, la soluzione che vado a descrivere, costa poco e forse permette di utilizzare degli SPK già in possesso, parlo al plurale perché nel tempo per imitare le cuffie come si vedrà alla fine, ne utilizzo una coppia montanti SPK di provenienza Hi Fi, per il loro suono più pastoso, meno aggressivo, più "umano", si sono dimostrati vincenti rispetto agli SPK esterni disponibili sul mercato, surclassando quelli montati negli apparati.

Quanto scrivo, prende dall'interesse che ho per gli altoparlanti Hi Fi che studio volentieri, tant'è che le casse acustiche del mio impianto cambiano continuamente, quando trovo un buon set-up, lo tengo per un po', poi modifico e l'impianto diventa uno schifo, capita anche che dal laboratorio passino degli amici per fare ascolto, rimanendo delusi e probabilmente prendendomi in giro, ma questo è irrilevante per la pagina, dunque:

Come sappiamo il migliore trasporto di una informazione, si ha quando il mezzo é di caratteristiche appena sufficienti a trasportarla senza alterazioni, a questa regola sottostà anche il sistema audio del RX, che viene a trovarsi all'interno del mezzo di trasporto.

L'alta fedeltà insegna come uno SPK possa funzionare correttamente se in relazione alla gamma da riprodurre può comportarsi come un rigido pistone, in teoria..., ma come sempre nel mondo reale questo non accade, se da un lato lo SPK deve avere diametro sufficiente per avere carico sull'aria alle frequenze basse che è chiamato a riprodurre, dall'altro per le frequenze alte il suo funzionamento è accettabile fino a quando il diametro utile del cono risulti inferiore alla lunghezza d'onda da riprodurre, con diametri maggiori le deformazioni e le conseguenti onde stazionarie generate sia dal cono che "scampana" sia dalla sospensione costruita con materiali inadatti ad assorbire energia meccanica a frequenze elevate senza rifletterla.

Le focalizzazioni conseguenti nella parte alta della gamma, larghe pochi Hz e dal Q molto elevato, sono impossibili da eliminare e molto fastidiose da ascoltare per gli schiocchi e i sibili generati, con SPK é di scarsa qualità il fenomeno sarà ancora più fastidioso, per cercare di ovviare a questa situazione alcuni SPK Hi Fi, montano al centro del cono una sorta di ogiva sagomata in funzione di rifrattore, atto a ridurre le onde stazionarie, causa del problema.

Per determinare il diametro del nostro SPK che assumo di qualità Hi Fi, occorre dividere la velocità del suono di ~340 m/s per 2,7 KHz (considerandone il valore come adatto), ricavando una lunghezza d'onda di ~12,6 cm, che è all'indica la massima applicabile ad uno SPK di 11-13 cm di diametro, sospensione compresa.

Dovendo poi riprodurre con linearità anche frequenze inferiori a 200 Hz, deve possedere una buona cedevolezza per essere montato in cassa chiusa, con un volume escluso lo SPK di non meno di 5 litri, riempita di materiale assorbente a celle aperte senza pressare, soluzione necessaria per eliminare il corto circuito acustico tra i segnali fronte/retro dello SPK, che essendo in opposizione di fase, tendono ad annullarsi  mano a mano che si scende con il tono di prova deformando la linearità della risposta audio, ora: con i limiti di frequenza dati, l'impiego uno SPK qualsiasi non é il massimo, occorre uno SPK che assomigli ad un medio, ma meglio un morbido medio basso Hi Fi.

SPK ottimi per la pastosità della voce non devono essere rigidi, preferibilmente avere il cono leggero e in fibra naturale, la sospensione soffice, una escursione lineare di non meno di +/- 3mm, (almeno per questo impiego) e una potenza accettata > di 10W, naturalmente non per lavorare a questa potenza, ma per avere a volume normale, la bobina mobile sempre immersa nella parte costante del campo magnetico, condizione essenziale per una conversione lineare elettrica/meccanica/sonora, se tutti questi requisiti sono soddisfatti, si potrà contare su un audio che può forse ricordare la pastosità delle radio a valvole di una volta, non avendo disponibili SPK di questo tipo, che possono anche essere costosi, vanno bene anche con sospensione in foam o gomma, ma non con gli stessi risultati, Hi Fi docet.




La cassa acustica deve essere costruita con materiale denso e rigido, tipo MDF, con spessore di non meno di 10 mm, per ridurnne le vibrazioni, é necessario per ridurre le risonanze interne che i rapporti dimensionali siano dispari e lontani il più possibile dalla forma del cubo, se non può essere diversamente, inserire almeno un setto che renda il volume interno diviso in modo asimmetrico, comunque sia il volume sarà riempito almeno per tre quarti di assorbente acustico a celle aperte senza pressare, come optional: suggerisco di montare un commutatore per il by pass e/o la selezione di più filtri.

Già, il filtro: non dovrebbe essere necessario, ci sono già nel RX, la questione é che tra il filtro di media e lo SPK, a volte si trovano circuiti che possono aggiungere rumore e segnali indesiderati, comunque: scartando a priori i 6 dB/ottava per la scarsa attenuazione e i più complessi 18 e 24 dB/ottava che con le loro pendenze possono interagire con i fianchi dei filtri IF, conviene adottare non un semplice passa basso, ma un più opportuno passa banda da 12 dB/ottava, in modo da ridurre suoni e rumori non necessari come le nasalità della voce, dovute all'eccitazione presso la frequenza di risonanza dello SPK.

Prima di utilizzare lo SPK, é necessario compensarlo.

L'impedenza di uno SPK la si può descrivere semplicemente come un bipolo composto da una resistenza di 5/6 Ohm in serie a un'induttanza da 0,25/0,45 mH, questi sono valori per un SPK medio basso da 8 Ohm, se si osserva la curva dell'impedenza di color nero nella Figura 2, si nota che questa rimane solo per poco più di un terzo della sua estensione al valore nominale, centrato attorno a 750 Hz e che a 3 KHz l'induttanza potrebbe far salire l'impedenza oltre i 15 Ohm con progressione moderatamente esponenziale, di solito condizione ininfluente se lo SPK é collegato direttamente ad un amplificatore, ma deleteria come carico per un filtro, che al salire della frequenza si troverà via via sotto caricato, tendendo a risuonare, sicché si avrà distorsione di linearità con incremento del SPL nella parte alta della gamma, inconveniente risolvibile con una rete serie R-C detta di Zobel posta in parallelo allo SPK.

I valori di questa rete variano da caso a caso, ma si possono trovare facilmente, per la R: si utilizza un tester di buona qualità, considerando uno SPK di 8 Ohm, questo valore sarà di 5/6 Ohm da incrementare poi per una migliore compensazione di un 10 %, quindi una 6,8 Ohm da qualche W va bene, mentre per non perdere tempo, il condensatore va cercato partendo da 6,8 uF, valore ottenuto da un elettrolitico bi-polarizzato o meglio da un polipropilene.

Per ottenere il valore esatto di C, si collegano in parallelo allo SPK: la rete di Zobel composta da 6,8 Ohm e 6,8 uF, un Voltmetro BF con portata di 100 mV f.s. e un Generatore di BF con impedenza di uscita media, vanno bene i canonici 600 Ohm, oppure: impiegando un RX SSB battente su un segnale stabile, previo inserimento in serie all'uscita di una R di 560/680 Ohm, ad ogni modo: ci si posiziona con la frequenza del generatore +/- al centro della curva d'impedenza, che di solito per questi SPK è attorno a 700/800 Hz, si regola l'uscita del generatore fino a portare l'indice del Voltmetro a metà scala.

Fatto ciò, scorrendo la frequenza verso l'alto, fino ad almeno 10 KHz, notare: se il valore letto dal Voltmetro sale, aumentare il valore del condensatore, viceversa diminuirlo, procedendo in questo modo per tentativi fino a quando la tensione indicata avrà variazione quasi nulla, come è visibile con la curva rossa in Figura 2, a questo punto per il nostro impiego, lo SPK è compensato, mentre nella Figura 1 qui sotto si vedono lo schema di collegamento di due SPK uguali, uno non compensato rappresentato da R1-L2, l'altro compensato da R2/L1 con in parallelo la rete di Zobel R5/C1, mentre R3-R4-V1 simulano il generatore.

Figura 1


schema della compensazione


Figura 2


curve di risposta spk


Siamo ai componenti del filtro, calcolabili facilmente con le seguenti formule semplificate: per i condensatori espressi in uF con 112500 / (frequenza x impedenza) e per le induttanze espresse in mH con (225 x impedenza) / frequenza; la tabellina contiene i valori già calcolati per 250 e 2700 Hz, a 4, 8, 16 Ω, anche se quest'ultimo valore è ormai obsoleto.

12 dB ottava a 4 Ω:   C2 = 112 uF, L1 =   3,6 mH, C1 = 10,4 uF, L2 = 0,33 mH

12 dB ottava a 8 Ω:   C2 =   56 uF, L1 =   7,2 mH, C1 =   5,2 uF, L2 = 0,67 mH

12 db ottava a 16 Ω: C2 =   28 uF, L1 = 14,4 mH, C1 =   2,6 uF, L2 = 1,33 mH

Guardando però in Figura 3 lo schema del filtro si noterà che alcuni valori non corrispondono a quelli calcolati e non è un errore, ciò accade perché i componenti reali non sono perfetti, quindi per avere una simulazione valida, occorre inserire in serie alle induttanze almeno la resistenza serie, inoltre l'interazione reciproca delle sezioni p. alto e p. basso del filtro connesse in serie, complice lo SPK che non è una resitenza pura, la risposta viene alterata, si ripristina modificandone sperimentalmente alcuni valori, quindi per il tagli 250 e 2700 Hz a 8 Ohm, vanno bene i valori in Figura 3, dove sia la simulazione sia la misura sul filtro fisico, hanno dato risultati sovrapponibili.

V1 e R1, simulano il generatore. C1, C2, L1, L2, rappresentano il filtro. R2, C3, la compensazione. R3/L3, lo SPK.

Figura 3

schema del filtro passa banda

In Figura 4 é visibile il comportamento del filtro calcolato e corretto, dove in nero abbiamo la risposta in frequenza e in rosso la rotazione di fase, quì simulate, ma rispondenti alla misura reale.

L'attenuazione di 7,5 dB vista a ~800 Hz, é composta da -6 dB dovuti alla R da 8 Ohm in serie al generatore per simulare l'impedenza, gli 1,5 dB restanti sono relativi alle perdite dovute ai componenti del filtro che si riscontreranno in pratica.

Figura 4

curva di risposta del filtro

Se avete avuto il coraggio di seguirmi fino a questo punto, vorrei invitarvi a sperimentare questo set-Up che mi ha dato buoni risultati:

Posizionando una coppia di casse identiche, simmetricamente equidistanti dalla testa, potremo percepire il suono come generato al suo interno, un po' come se si usasse una cuffia, ma liberi dal suo fastidio, naturalmente le casse possono essere collegate in serie o in parallelo in dipendenza dell'impedenza di uscita del RX, per verificare il corretto collegamento e quindi la fase del suono emesso, se il suono non risultasse centrato nella testa, invertire i terminali di uno SPK e tutto andrà a posto.

Figura 5

la foto dei miei spk

Qui a fianco si vedono due cassettine ancora da finire (sono così da tempo e probabilmente ci resteranno), per costruirle ho impiegato due contenitori cilindrici dello spessore di 10 mm che avevo a disposizione, con diametro e altezza di 16 cm, in cui ho montato due SPK che ho ritenuto adatti per questo impiego, recuperati da due casse Hi Fi gentilmente donatemi dall'amico Mauro qui del mio paese anche lui appassionato, che ringrazio ancora.

Appare evidente che i due contenitori non sono il meglio in ragione di quanto scritto sopra, ma giacevano inutilizzati da tempo e ho deciso di dargli uno scopo, ne ho però corretto il comportamento acustico con l'inserzione di un setto di legno incollato al fondo e ai lati,  risalente fino a 3 cm dallo SPK, posizionandolo asimmetricamente sul fondo ho ricavato due volumi con circa le proporzioni del 35/65 % del volume totale, che ho riempito senza pressare con panno di cascame utilizzato in carrozzeria per isolamento acustico, risultato idoneo al banco per le frequenze in gioco.

Alle prove pratiche: con il filtro escluso, scorrendo le frequenza tra 150 Hz e 3 KHz non si notano ondulazioni di livello, come confermato da un fonometro Bruel & Kjaer in campo vicino, se fate prove in questo senso, non fatevi ingannare dalle riflessioni ambientali e da quelle generate da ostacoli vicini come il piano del banco di lavoro.

Per le simulazioni ho impiegato Microcap11, software piuttosto completo, gira con i vari Windows e con Linux tramite WINE sia con l'ultima distribuzione di Fedora sia con Ubuntu 14.04, ed è scaricabile all'indirizzo: http://www.spectrum-soft.com/demo.htm
Credo di aver detto tutto. Per brevi info potete contattarmi cliccando su info.


Mario