In questo articolo, capiremo le differenza di costruzione e risposta acustica relativa alla realizzazione di diffusori subwoofer costruiti in cassa chiusa, vented box e band-pass

La Storia del Subwoofer

La storia del subwoofer è strettamente legata all'evoluzione degli altoparlanti full-range. A metà degli anni '50, vari produttori di altoparlanti hi-fi iniziarono a introdurre casse compatte a chiusura ermetica con woofer a lunga escursione, e nei primi anni '70 un ingegnere talentuoso di nome James Novak, che lavorava alla Jensen, sviluppò le equazioni che descrivono un design di altoparlanti a bass reflex (o ventilato).

L'Industria Cinematografica e le Frequenze Basse

La capacità di riprodurre frequenze basse estese era di particolare interesse per l'industria cinematografica e a metà degli anni '70, Cinerama (all'epoca Cinema-scope) e i Todd-AO Studios portarono per la prima volta il suono multicanale sugli schermi cinematografici di grandi dimensioni, insieme a un canale mono centrale che aveva il ruolo di fornire l’‘estensione dei bassi’. Il primo film a includere questo canale di ‘estensione dei bassi’ (LFE) fu Star Wars nel 1977.

L'Evoluzione dei Subwoofer

Oltre a diventare un'aggiunta essenziale ai sistemi di riproduzione stereofonica standard durante la fine degli anni '70, oggi, con l'ampia accettazione dell'audio multicanale e la proliferazione di generi musicali che includono contenuti a frequenze estremamente basse, i subwoofer giocano un ruolo essenziale in qualsiasi tipo di sistema di riproduzione del suono, dai sistemi PA per musica dal vivo ai setup per DJ e altro ancora.

Cabinet e Interferenza delle Onde Sonore

Prima di discutere i design specifici delle casse, è importante ricordare che lo scopo principale di una cassa per altoparlanti è impedire che le onde sonore frontali e posteriori si annullino a vicenda. Il modo migliore per esaminare questo fenomeno è ricordare che le onde sonore hanno picchi, costituiti da alta pressione dell'aria, e avvallamenti, costituiti da bassa pressione dell'aria. L'aria cambia da alta a bassa pressione a una velocità determinata dal tono del suono. La posizione di questa forma d'onda in un dato momento è chiamata 'fase'.

La Fase delle Onde Sonore

Un driver/cono che spinge l'aria sia dalla parte anteriore che posteriore creerà onde sonore che sono sfasate di 180 gradi (i picchi e gli avvallamenti sono in allineamento opposto). Questo effetto diventa problematico se le due diverse onde sonore si incontrano, poiché l'interferenza tra di loro porterà a una cancellazione del suono. Al contrario, se i picchi e gli avvallamenti sono in allineamento (in fase), la somma del suono porterà a un aumento della pressione sonora (e quindi del volume).

Sfide Acustiche

La proprietà più essenziale per un subwoofer è la sua capacità di muovere (o far risuonare) l'aria, e questo è determinato dalla massima escursione del driver e dall'area del pistone effettiva. Per ottenere un livello di pressione sonora costante man mano che la frequenza diminuisce, il volume d'aria che deve essere spostato è proporzionale a 1/(frequenza)². In altre parole, lo spostamento del volume d'aria aumenta di 12 dB per ottava con la diminuzione della frequenza. Questa relazione è indipendente dal design della cassa.

Ad esempio, se abbiamo bisogno di uno spostamento del volume di 50 cm³ a 100 Hz per raggiungere 110 dB SPL, necessitiamo di 1250 cm³ a 20 Hz per produrre lo stesso SPL. Inoltre, ogni raddoppio dell'SPL (+6 dB) richiede il doppio dello spostamento del volume. Tenendo questo in mente, diventa rapidamente evidente che i vincoli fisici e meccanici sui driver a bassa frequenza sono significativi e presentano una grande sfida quando si tenta di ottenere un alto livello di pressione sonora oltre all'estensione delle basse frequenze.

Tipologie di Casse per Subwoofer

Per il resto di questo articolo, ci concentreremo sui tipi di casse per subwoofer piuttosto che sui design e le sfide dei driver a bassa frequenza. La maggior parte dei design delle casse per subwoofer sono “chiuse” (o sigillate), “ventilate” (o reflex/portate) o “band-pass”. Per ciascuno di questi design, l'efficienza del subwoofer è proporzionale al volume interno della cassa. Casse più piccole forniscono un'efficienza inferiore, richiedendo maggiore potenza dall'amplificatore per produrre un dato output SPL. In altre parole, una cassa piccola combinata con un amplificatore da 1000 W potrebbe teoricamente raggiungere lo stesso SPL di una cassa più grande con un amplificatore da 100 W. Tuttavia, il compromesso risultante è un'elevata distorsione acustica poiché lo stesso driver in una cassa più piccola dovrebbe essere spinto più forte per raggiungere lo stesso SPL.

Closed Box

Una cassa chiusa (o a sospensione acustica, o sigillata) è una camera ermetica che è tipicamente compatta e facile da costruire a causa dell'assenza di un port (o sfiato). Tale design impedisce alle onde sonore emesse dal retro del driver di interferire con (o annullare) quelle dal fronte. Un subwoofer a cassa chiusa è composto da un amplificatore, una cassa e un driver che è responsabile di tutta la radiazione acustica del sistema.

Mentre il driver si muove avanti e indietro, la pressione dell'aria nella cassa cambia costantemente, causando un accumulo di pressione aggiuntiva nella parte posteriore del cono (o diaframma). Per superare questo fenomeno, è necessaria una potenza amplificata aggiuntiva per il driver all'interno di un subwoofer a cassa chiusa per produrre lo stesso SPL che avrebbe in una cassa ventilata comparabile. Tuttavia, questo fenomeno ha anche i suoi vantaggi, poiché la pressione aggiuntiva consente al cono di muoversi avanti e indietro molto rapidamente e con precisione.

 

Pro e Contro delle Casse Chiuse

Pro:

• Design semplice e salvaspazio
• Bassi precisi ed eccellente risposta ai transienti
• Buona gestione della potenza
• Nessun potenziale di rumore/distorsione dovuto al soffio del port

Contro:

• Richiede maggiore amplificazione per superare la pressione dell'aria interna sulla parte posteriore del diaframma
• Risposta dei bassi limitata al di sotto della frequenza di risonanza del sistema

Vented Box (o Bass Reflex)

Una cassa ventilata (o bass reflex/port) presenta uno o più port, che consentono di equalizzare la pressione tra l'interno e l'esterno della cassa. Quando il diaframma del driver si sposta all'indietro nella cassa, la pressione interna aumenta e successivamente viene rilasciata attraverso il port della cassa, causando una risonanza del tubo di raccorto a una frequenza particolare. Il port aumenta l'uscita del sistema a questa frequenza fornendo una superficie aggiuntiva e uno spostamento dell'aria, risultando in un'estensione della risposta alle basse frequenze e in un aumento del SPL.

La frequenza di accordo del port è una funzione della sua area trasversale e della sua lunghezza. I design vented producono un livello di pressione sonora maggiore vicino alla frequenza di accordo rispetto alle casse chiuse di volume equivalente, anche se effettivamente hanno meno output alle frequenze ben al di sotto della frequenza di taglio, poiché l'abbassamento dei bassi è più ripido (24 dB per ottava per una cassa vented rispetto a 12 dB per ottava per una cassa chiusa).

Va notato che un design di cassa vented dovrebbe essere generalmente utilizzato insieme a un filtro elettrico subsonico (filtro passa-alto LF) per limitare le frequenze al di sotto della frequenza di taglio. Poiché non c'è sospensione acustica per il woofer al di sotto della frequenza di accordo della cassa, se il woofer riproduce segnali al di sotto di questa frequenza di accordo, potrebbero verificarsi danni alla sospensione del woofer a causa di un'eccessiva escursione del cono (o "scaricamento").

Le casse vented possono anche ridurre drasticamente i requisiti di potenza dell'amplificatore poiché aumentano l'efficienza di circa 3 dB rispetto alle casse chiuse. Per ottenere un aumento acustico di 3 dB tramite amplificazione, la potenza applicata al subwoofer dovrebbe essere raddoppiata.

Pro e Contro della costruzione Vented Box:

Pro:

• Elevato SPL; riproduzione dei bassi profonda e potente; elevata efficienza acustica che richiede meno potenza dell'amplificatore per un dato SPL (rispetto a un design a cassa chiusa).

Contro:

• I bassi riprodotti possono essere meno precisi (possibilmente descritti come 'boomy') in design non ottimizzati; i port possono produrre rumore di soffiatura se non progettati correttamente (a causa di un'area trasversale insufficiente, uscite non adeguatamente svasate, ecc.); dimensioni della cassa più grandi richieste per ospitare i reflex.

 

Cabinet Band-Pass

Questo tipo speciale di cabinet ha due camere separate invece di una. La camera primaria, che può essere di tipo chiuso o a ventilazione, contiene il driver del subwoofer, mentre la secondaria crea l'effetto "band-pass" sulla risposta del subwoofer.

In generale, i subwoofer a band-pass sono altamente efficienti e riproducono basse frequenze profonde all'interno di una banda limitata. Sebbene sia necessaria molta cura nel perfezionare tali progetti, l'aumento del livello acustico risultante può arrivare fino a 8 dB. Il flusso d'aria rapidamente variabile in entrambe le camere offre il vantaggio di una bassa escursione del woofer e un movimento del cono ben controllato. Tuttavia, l'accumulo di pressione risultante richiede la selezione di un driver meccanicamente resistente con una sospensione di qualità e un cono robusto per garantire la affidabilità a lungo termine. Dal punto di vista della gestione, questi progetti sono impermeabili ai danni diretti al driver derivanti dall'impatto esterno, grazie al fatto che il driver (o i driver) sono confinati all'interno del contenitore. L'uso di camere multiple e aperture (o port) spesso porta anche a contenitori relativamente grandi e ingombranti che possono essere difficili da trasportare e conservare.

Subwoofer Band-Pass a Singolo Reflex

Una progettazione band-pass a singolo port presenta un driver montato in una camera chiusa, che spara in una camera a ventilazione, che simula un filtro band-pass elettrico di quarto ordine. In questo caso, le onde che provengono dalla parte posteriore del cono del driver sono intrappolate all'interno della camera chiusa e la radiazione dalla superficie anteriore del cono è diretta nella camera a ventilazione, modificando la risonanza del driver. La camera chiusa mostra, come previsto, una caduta di 12 dB per ottava nelle basse frequenze, e la camera a ventilazione, secondaria, produce una caduta di 12 dB per ottava nelle alte frequenze. Il termine "band-pass" deriva dall'effetto combinato di queste due cadute acustiche.

 

Subwoofer Band-Pass a doppio reflex

Una progettazione band-pass a doppio port si differenzia dalla progettazione a singolo porto dal fatto che anche la prima camera contenente il driver è dotata di aperture, producendo una risposta band-pass di sesto ordine. Tali progetti sono difficili da regolare correttamente e tendono ad essere molto sensibili alle caratteristiche specifiche del driver. Presentano gli stessi vantaggi e svantaggi della progettazione a singolo port, compresa una caduta di 24 dB per ottava nelle basse frequenze, ma con una maggiore efficienza grazie alla configurazione band-pass.

Pro e contro fondamentali dei contenitori band-pass:

Pro: Progettazione acusticamente efficiente con riproduzione di bassi profondi; escursione limitata del woofer e bassa distorsione; altamente resistente; scelta tra progetti a scatola chiusa e a ventilazione per la prima camera.

Contro: Elevata resistenza al movimento del cono; progettazione del contenitore complessa che richiede conoscenze avanzate per la regolazione corretta; il contenitore potrebbe essere abbastanza grande.

Conclusione

I cabinet closed box, a bass reflex e band-pass hanno tutti vantaggi e svantaggi intrinseci che li rendono ideali per diverse applicazioni. Ad esempio, i subwoofer closed box, pur offrendo bassi "puliti" che possono essere desiderabili per applicazioni di ascolto a basso volume come l'audio domestico o il teatro domestico, potrebbero mancare dell'efficienza desiderata da un DJ o per sistemi PA su larga scala che possono essere forniti solo da progetti vented o band-pass.

Inoltre, tutti i progetti comuni descritti sopra si trovano non solo nei prodotti subwoofer, ma anche nella parte a bassa frequenza degli altoparlanti "full-range". Applicazioni specifiche richiedono diversi compromessi tra prestazioni acustiche, come SPL massimo e qualità del suono, e caratteristiche pratiche come dimensioni e durata. Nessun subwoofer fa tutto da solo, ma speriamo che la tua prossima decisione di acquisto di un subwoofer sarà più informata. Buon ascolto dei bassi!