Filtri crossover "quasi-ottimali" per alta efficienza

[marco_gea]

Salve,

sono nuovo qui ma è da più di 10 anni che studio e accumulo informazione sulla progettazione dei diffusori acustici, specie ad alta efficienza.

Per chi fosse interessato, ho appena postato i risultati dei miei studi in tema di crossover ottimali per sistemi di altoparlanti (specie ad alta efficienza, con Woofer di grande diametro + driver a compressione e tromba) sul forum di lingua inglese DIYAudio:
http://www.diyaudio.com/forums/multi-wa ... ost3401393

Spero lo troviate interessante! Commenti benvenuti, ovviamente.

Marco

[ciroschi]

Ciao Marco,
sarei interessato a leggere il tuo scritto, però cè un problema, con l'inglese abbiamo bisticciato, quindi se hai scritto anche in italiano, per me sarebbe meglio. Grazie.
Saluti.

[marco_gea]

...per i non-angloparlanti, ecco qui un riassunto del thread in questione:

In un diffusore ad alta efficienza con Woofer di grande diametro + sezione medio-alti a tromba, le dimensioni fisiche della tromba rendono impraticabile allineare in profondità i centri acustici del Woofer e del Mid-tweeter. Ciò rende inapplicabili i crossover simmetrici “classici” (come i comuni Butterworth del 1° o 3° ordine e Linkwitz-Riley del 2° o 4° ordine).

Tale condizione può essere vista però come una opportunità, anziché come un limite.

Infatti, il filtro Passa-Basso causa un ritardo della emissione del Woofer nella sua banda passante (pass band), proporzionale alla variazione della fase acustica in funzione della frequenza ("Group Delay"). Tale fenomeno fa sì che il centro di emissione apparente del Woofer “scivoli” indietro con lo scendere della frequenza, fino ad assestarsi sulla posizione corrispondente al ritardo massimo, dipendente dall’ordine del filtro. Il Passa-Alto del Mid-tweeter causa invece un ritardo simile ma nella regione di attenuazione (stop band), per cui il centro di emissione del Mid-tweeter rimane sostanzialmente coincidente con la sua posizione fisica nella maggior parte della sua banda passante. Da tutto ciò risulta che impiegando un crossover simmetrico “classico”, con i due altoparlanti allineati in profondità, Woofer e Mid-tweeter si trovano ad emettere le rispettive porzioni dello spettro audio da posizioni apparenti sostanzialmente diverse. Pertanto, tali crossover “classici” permettono una risposta in frequenza complessiva piatta e, nel caso di quelli di tipo Linkwitz-Riley, anche la coincidenza degli andamenti delle fasi dei due rami del filtro (con buona risposta polare sul piano verticale), ma sono sempre inevitabilmente causa di un cattivo allineamento temporale delle emissioni dei due altoparlanti, con conseguenze negative sulla risposta ai transienti (e distorsione rilevante della forma d’onda).

Invece, impiegando un opportuno crossover asimmetrico, con il Passa-Basso di ordine superiore a quello del Passa-Alto, e sfruttando un offset (disallineamento intenzionale) in profondità tra Woofer e Mid-tweeter, è possibile compensare parzialmente il ritardo indotto dal Passa-Basso, ed ottenere così un migliore allineamento temporale dei due altoparlanti e una variazione contenuta e graduale del Group Delay totale, mantenendo al contampo una risposta in frequenza regolare e una buona coincidenza degli andamenti delle fasi dei due rami del filtro nell’intorno della frequenza di incrocio.
Si veda anche in proposito per ulteriore approfondimento l'articolo:
Hillerich B., “Acoustic Alignment of Loudspeaker Drivers by Nonsymmetrical Crossovers of Different Orders”, J. Audio Eng. Soc., vol. 37, no. 9 (Sept. 1989).

N.B. In realtà, è dimostrato che la PERFETTA linearizzazione della fase acustica complessiva, e pertanto una risposta rigorosamente perfetta ai transienti, è impossibile da ottenere per via passiva mediante un semplice offset fisico tra gli altoparlanti (da cui la dicitura "quasi-ottimale" nel titolo del post):
Vanderkooy, J. and Lipshitz, S. P., “Is Phase Linearization of Loudspeaker Crossover Networks Possible by Time Offset and Equalization?”, J. Audio Eng. Soc., vol. 32 (Dec. 1984).

In particolare, un tipo di crossover asimmetrico "quasi-ottimale" che sembra essere particolarmente raccomandabile è una derivazione e ulteriore ottimizzazione di quello impiegato da TAD nei suoi monitor professionali a due vie, con le seguenti specifiche target:

Woofer: Passa-Basso del 6° ordine (36dB/ott) di tipo Bessel a Fx * 1.25 (-6dB a Fx), connessione con polarità positiva (+)
Mid-tweeter: Passa-Alto del 2° ordine (12 dB/ott) di tipo Butterworth a Fx1 * 1.3 (-6dB a Fx), connessione con polarità negativa (−)
Offset tra Woofer e Mid-tweeter = 0.4 * 34400 / Fx [cm]

Nelle figure seguenti è illustrata una simulazione teorica del crossover a due vie descritto qui sopra (con ad esempio Fx = 650Hz), in termini di risposta in frequenza, fase e Group Delay.

TADmodFR.png

TADmodPhase.png

TADmodGD.png

Marco

[ciroschi]

Ciao Marco,
grazie della traduzione. Saresti uleteriormente gentile a postare uno schema elettrico del tipo di cross-over della descrizione. Grazie e scusa per il disturbo arrecato.
Saluti.

[marco_gea]

Ciao Marco,
grazie della traduzione. Saresti uleteriormente gentile a postare uno schema elettrico del tipo di cross-over della descrizione. Grazie e scusa per il disturbo arrecato.
Saluti.

Salve, e grazie a te dell'interesse.

Purtroppo, pero', lo schema elettrico puo' cambiare abbastanza in base alla risposta di partenza (non filtrata) degli altoparlanti impiegati. In particolare, nel caso del Woofer, il passa-basso del 6 ordine acustico desiderato si puo' ottenere spesso con un filtro del 3 o 4 ordine elettrico, talvolta in combinazione con una cella RLC serie se il Woofer presenta un picco da break-up.

Inoltre, i valori dei componenti RARAMENTE corrispondono a quelli calcolabili con le formulette "classiche" da libro di testo, e vanno invece determinati in modo da ottenere una buona corrispondenza delle pendenze ACUSTICHE con le funzioni target desiderate.

Saluti,

Marco

[ciroschi]

Ciao Marco,
lo schema elettrico, anche senza valori, mi serve per confrontarlo con quello che ho fatto io. Perché penso che sia come lo descrivi tu e volevo esserne certo. Il mio intendo è quello di migliorare ancora i miei diffusori, perché non essendo un ingegnere, cerco di capire le cose che scrivete qui sul forum, per tenermi aggiornato. Ovviamente sono sempre grato a voi che fate conoscere a polli come me.
Saluti.