Antonio Paoluzi

L'arte Del Suono

Guida D’onda Multi Ogiva ad Albero

Guida D’onda ad emissione cilindrica

 

L’obiettivo del progetto è di realizzare un dispositivo che permetta di convertire un’onda acustica generata da una sorgente sonora circolare, caratterizzata quindi da propagazione sferica, in una con caratteristica di propagazione cilindrica.

Detto dispositivo dovrà essere munito di un foro circolare di ingresso, detto “gola”, e di una fessura frontale, detta “bocca” per l’emissione delle onde sonore.

Il foro circolare di ingresso dovrà essere adatto ad alloggiare la bocca di altoparlanti per alte frequenze rispettandone gli standard costruttivi. La scelta qui ricade su una dimensione di 28 mm, misura adatta ad un driver da 1,1/4 pollici, ma può essere anche realizzata di 25 mm nel caso di un driver più piccolo da 1 pollice.

Le dimensioni della fessura frontale di emissione determineranno alcune delle caratteristiche dell’onda emessa e il tipo di applicazione a cui sarà dedicata.

Scopo del progetto è di creare una superficie di emissione stretta quanto più possibile e lunga quanto occorre per generare una linea continua di emissione che possa essere accoppiata ad altre uguali con un gap minore possibile.

Un Line Array è un sistema di amplificazione costituito da un insieme di sorgenti sonore disposte in modo da creare una linea di emissione fra di loro perfettamente in fase, che emettano la stessa pressione, ed infinitamente vicine. Se questo a livello pratico non è mai possibile, si può raggiungere comunque una buona approssimazione tenendosi all’interno di certi valori. Christian Heil, il padre dei moderni sistemi di line arrays, ha definito i limiti entro i quali muoversi per rendere attuabile il sistema.

Sostanzialmente per poter considerare un insieme di sorgenti come se fossero una sorgente unica sono due le regole da rispettare: la distanza fra i centri di emissione deve essere della metà della minima lunghezza d’onda che andranno ad emettere e la superficie attiva di emissione deve essere di almeno l’80% del totale della superficie.

Se vogliamo quindi creare una sorgente di emissione continua dobbiamo disporre una serie di sorgenti ad una certa distanza minima, distanza che determinerà la massima frequenza rappresentabile dal sistema. Questo vuol dire che se vogliamo riprodurre frequenze fino ai 16 kHz, la distanza massima che potranno avere i centri di emissione sarà di 10,8 mm, per raggiungere invece i 20 kHz la distanza è di 8,6 mm. Mentre questo è ovviamente quasi impossibile da ottenere con i normali driver in commercio, nulla vieta di usare un sistema di canalizzazione che faccia in modo di convogliare le onde su delle bocche di emissione poste alla distanza desiderata. Al fine di ottenere un’emissione cilindrica, però, occorre anche che le onde escano dalle bocche allineate temporalmente, e questo si ottiene facendo compiere lo stesso percorso a tutti i “raggi” di emissione. Il suono parte da una sorgente approssimativamente assimilabile ad un punto e si disperde in tutte le direzioni. La flangia frontale del driver confina già questa emissione in un semispazio sferico. L’onda viene quindi incanalata attraverso la guida in una serie di percorsi di uguale lunghezza che sfociano in una bocca a forma di linea.

Sostanzialmente il sistema si basa su un sistema di ogive multiple, indentate secondo uno schema ad albero. Per un sistema di canalizzazione così costruito occorre che il numero di bocche anteriori sia un 2^n, dove n è il numero di stadi che occorrono. Questo vuol dire che possiamo realizzare una guida a 2, 4, 8 o 16 canali.

Stabiliamo la lunghezza della bocca, nel nostro caso 13,5 cm poiché ci è comodo per la progettazione di un diffusore con unità mediobasse costituita da woofer da 5” (13cm).

Se scegliessimo un sistema a 4 canali avremmo una serie di bocche distanziate di 3,37 cm, che avrebbe come limite superiore la frequenza di circa 5,1 kHz. Analogamente con 8 bocche distanziate di 1,68 cm il limite sarebbe di 10,2 KHz. La scelta cade quindi su un sistema a 16 bocche, con limite superiore ad oltre 20 khz e distanza di 8 mm.

Iniziamo a mostrare in figura 1 la semplice guida a 4 elementi, costituita da un sistema di ogive a due stadi. In questo caso n=2, quindi 2^2=4.

Guida 4 elementi

Fig. 1

Se si analizza a fondo la figura 1 si capisce che i quattro percorsi che portano dalla gola, sulla destra, alle uscite sulla sinistra sono tutti uguali. Si può reiterare il processo per creare una guida ad 8 elementi semplicemente creando un terzo stadio, come mostrato nella figura 2

Guida 8 elementi

Fig. 2

Reiterando ancora, ed aggiungendo un quarto stadio, si ottiene la guida a 16 elementi di figura 3

Guida 3-16Fig. 3

Nell’immagine successiva si può vedere il prototipo realizzato di guida d’onda ad 8 elementi. La realizzazione è piuttosto approssimativa, ma ha permesso di effettuare una serie di misure molto interessanti che hanno confermato la validità della teoria.

foto

Fig. 4

Le Misure

Sono state effettuate delle misure preliminari per verificare la consistenza del progetto della guida d’onda. Le misure effettuate hanno ovviamente bisogno di ulteriori approfondimenti, soprattutto perché sono state effettuate in ambiente casalingo; in ogni caso i risultati ottenuti sono decisamente incoraggianti ed hanno mostrato che il sistema si comporta in maniera simile agli altri dispositivi line source per alte frequenze presenti sul mercato.

La direttività orizzontale è di circa 120° senza mostrare grandi differenze muovendosi lungo l’asse a parte una lieve attenuazione di livello comunque contenuta, mentre in senso verticale già a 12 gradi fuori dall’asse sia ha un abbattimento di 12 dB in tutta la gamma 1400-18000. La superfice radiante effettiva risulta essere di circa l’85% che con il montaggio in cassa scende ad un valore del 77%, dato comunque decisamente accettabile nel rispetto delle regole dei line arrays.

La risposta in frequenza sull’asse orizzontale con il driver scelto è buona, sensibile comunque al miglioramento con una leggera equalizzazione. Una costruzione più accurata del dispositivo, comunque, porterà certamente ad un notevole incremento delle prestazioni, specie alle altissime frequenze.

La figura 5  mostra la risposta della tromba intorno all’asse orizzontale a 0, 45, 65, 75 gradi. Come si può notare la risposta rimane costante, a parte un lieve cambiamento di livello. In particolare fra 0 e 45 gradi il livello cambia molto poco mentre a 65 gradi abbiamo un calo di oltre 6 db. Possiamo quindi stabilire che la direttività orizzontale è di circa 120 gradi.

Direttività orizzontale HF

Fig. 5

In figura 6 la risposta intorno all’asse verticale a 0, 10, 20 gradi. Si nota che, a fronte di una evidente ma contenuta flessione a 10 gradi, quando si raggiungono i 20 gradi tutta la gamma sopra ai 2000 hertz cala in maniera repentina. Se ne conclude che la direttività verticale è di poco più di 10 gradi.

Si può notare anche un effetto secondario dovuto alla costruzione del prototipo. Per evidenti limiti strumentali si è costruito una guida d’onda ad 8 canali, distanziati quindi di 16 mm. Il limite teorico di un sistema siffatto è, come si diceva, di circa 11 KHz. Si può notare dalla lettura della risposta a 20° una vistosissima flessione intorno a questa frequenza.

Direttività verticale jpg

Fig. 6

Il forte abbattimento della curva oltre i 16 kHz è probabilmente dovuto alla dimensione orizzontale della guida, qui di 20 mm, che soffre di riflessioni interne, problema facilmente aggirabile frapponendo una o più pareti interne divisorie. Si può addirittura pensare di realizzare il dispositivo come un sandwich di lamelle di spessore di qualche millimetro scanalate e sovrapposte.

Altro fattore da considerare è la poca precisione della costruzione del prototipo che genera turbolenze indesiderate. Il primo prototipo realizzato, infatti, costruito in maniera ancora più approssimativa, aveva un abbattimento ancora maggiore sulle altissime frequenze, decisamente migliorato con la costruzione più precisa di un secondo dispositivo, segno che questo è un parametro sicuramente migliorabile. Uno stampo in plastica o, ancor meglio, in alluminio ed un attento disegno delle ogive atto a minimizzare le turbolenze ottimizzando le dimensioni dei canali sicuramente porterà al raggiungimento del limite di frequenza teorico.

Conclusioni

il prototipo realizzato ha dimostrato, alla prova delle misure effettuate, di comportarsi in linea con le leggi che regolano la teoria dei line arrays.

Si tratta di un sistema molto semplice, ma al contempo rigoroso nella sua definizione. La sua semplicità sicuramente faciliterà lo sviluppo di diversi dispositivi line source utili nelle varie applicazioni nel campo dell’audio.

 

Tutti i diritti sono di proprietà dell’autore

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This entry was posted on September 25, 2013 by .