I woofer più grossi sono davvero più lenti?
Nel linguaggio dell’alta fedeltà un basso viene spesso definito veloce, lento, asciutto, frenato o articolato. Sono parole utili per descrivere ciò che si ascolta, purché non vengano trasformate troppo alla lettera in proprietà meccaniche del cono, perché un woofer da 15 pollici non è lento perché è grande e un woofer da 8 pollici non è veloce perché è piccolo.
Proviamo a parlarne, ma preavviso il paziente lettore che non ho il prezioso dono della sintesi 
e che volutamente ho trascurato gli effetti di amplificatore e ambiente. Inoltre, sono presenti semplificazioni anche importanti sulla dinamica del trasduttore e sulla teoria dei segnali, ad esempio: è stata omessa la valutazione della direttività acustica.
Quanta aria bisogna muovere?
Il diametro conta, naturalmente, ma entra in una relazione molto più ampia che comprende superficie radiante, escursione, massa mobile, forza del motore, sospensioni, caricamento acustico, crossover e ambiente.
Per produrre basse frequenze a un certo livello sonoro occorre spostare aria, la prima questione è quanta aria bisogna muovere.
La quantità di aria spostata dipende, in prima approssimazione, dal prodotto tra superficie effettiva del cono ed escursione:
[V_d=S_d \cdot X]
Un woofer grande dispone di una superficie radiante maggiore. Per ottenere lo stesso spostamento volumetrico può quindi lavorare con un’escursione inferiore rispetto a un woofer più piccolo. Questo è un vantaggio concreto non perché un tragitto più breve venga percorso “più in fretta”, ma perché a parità di frequenza una minore escursione richiede velocità e accelerazioni istantanee inferiori. Per un moto sinusoidale: [v_{max}=2\pi fX] e [a_{max}=(2\pi f)^2X]
Aumentando l’escursione aumenta quindi anche lo sforzo dinamico richiesto al trasduttore, ed è qui che la dimensione del woofer comincia ad avere conseguenze interessanti.
L'ampia escursione ha un prezzo
Un woofer piccolo attuale può scendere molto in frequenza e raggiungere livelli sorprendenti. Per farlo deve spesso compiere escursioni considerevoli, finché tutto rimane nel campo lineare non c’è nulla di sbagliato.
Il problema nasce quando la bobina si allontana dalla zona nella quale il campo magnetico è più uniforme, oppure quando sospensione e centratore lavorano nelle parti meno lineari della loro corsa. In queste condizioni aumentano distorsione, compressione e variazioni dei parametri durante il movimento. Il trasduttore continua a riprodurre la frequenza richiesta ma lo fa però con una fedeltà progressivamente peggiore.
Un woofer grosso, a parità di pressione sonora e frequenza, può ottenere lo stesso risultato ma con movimenti più contenuti. Questo gli consente, se il progetto è valido, di rimanere più facilmente nella zona lineare del proprio funzionamento. Non significa che un 15 pollici abbia automaticamente una risposta ai transitori migliore di un 10 pollici, significa che la grande superficie radiante può ridurre una delle cause importanti di comportamento non lineare: l’escursione elevata.
La massa del cono conta, ma non decide da sola
Un grande woofer tende giocoforza ad avere una massa mobile superiore, è inevitabile che venga quindi richiesta più forza per ottenere una determinata accelerazione. Ma un altoparlante non è un cono lasciato libero di muoversi, è un sistema elettromeccanico azionato da un motore, la relazione elementare rimane quella newtoniana: [a=\frac{F}{M}]
Nel trasduttore elettrodinamico la forza prodotta dal motore dipende dal fattore (Bl) e dalla corrente: [F=BlI]
La domanda interessante non è quindi semplicemente “quanto pesa il cono?” bensì quanta forza il motore riesce ad applicare alla massa che deve controllare. Un woofer grande può avere una bobina importante, un traferro ben progettato e un fattore di forza elevato. In tal caso la maggiore massa mobile viene accompagnata da una maggiore capacità di accelerarla e decelerarla.
La massa rimane un parametro reale, considerarla senza il motore porta però a conclusioni poco utili.
“Lento” non significa che fa meno oscillazioni
Vale la pena chiarire rapidamente anche questo punto: se il segnale applicato è a 50 Hz, il moto forzato del woofer avviene a 50 Hz. Un woofer definito “lento” non ne produce 49 perché non riesce a stare al passo. Lo stesso vale a 1000 Hz, quando quella frequenza rientra ancora nella banda nella quale il driver produce una risposta significativa. Se il woofer non riesce a riprodurla efficacemente, l’ampiezza diminuisce e aumentano eventualmente sfasamento e distorsione. La frequenza della risposta forzata non diventa semplicemente un’altra frequenza. La sensazione di lentezza va quindi cercata altrove.
Attacco, decadimento e risonanze
Un colpo di grancassa non è una sinusoide infinita, ha un attacco, uno spettro complesso e un decadimento. La percezione della sua precisione dipende da come il diffusore riproduce questi elementi nel tempo. Se il sistema presenta una risonanza marcata, l’energia in quella zona può impiegare più tempo a decadere. Il risultato è un basso che sembra allungare le note. Se invece il decadimento è ben controllato, gli eventi successivi rimangono più leggibili e separati. È questa una delle esperienze che in ascolto viene descritta come “velocità”. Non riguarda la velocità assoluta del cono, riguarda quanto fedelmente il sistema segue l’evoluzione temporale del segnale.
Il ruolo del Q
I parametri (Q_{es}) e (Q_{ts}) vengono spesso associati alla rapidità del woofer, la relazione esiste, ma va interpretata con cautela.
Il (Q_{es}) descrive il contributo dello smorzamento elettrico del trasduttore attorno alla risonanza. Quando la bobina si muove nel campo magnetico genera una forza controelettromotrice che si oppone al movimento. Un fattore di forza elevato contribuisce quindi a uno smorzamento elettromagnetico più efficace.
Questo non significa però che un woofer con (Q_{es}) più basso sia sempre più "veloce”. Il valore ha senso insieme agli altri parametri del driver e, soprattutto, al caricamento nel quale verrà utilizzato. È l’allineamento completo a stabilire quanto il sistema sarà smorzato, quanto sarà estesa la risposta e come decadrà attorno alle risonanze.
Il group delay esiste, ma non è un cronometro del woofer
Ogni sistema reale introduce variazioni di fase. Quando la fase cambia con la frequenza cambia anche il group delay: [\tau_g=-\frac{d\phi}{d\omega}]
Per segnali sufficientemente limitati in banda, il group delay descrive il ritardo dell’inviluppo rispetto alle diverse componenti spettrali, è quindi una grandezza fisica reale e misurabile. Non va però immaginata come se il woofer aspettasse alcuni millisecondi prima di iniziare a muoversi.
Un forte incremento del group delay vicino a una risonanza o a una frequenza di accordo indica che il comportamento temporale del sistema sta cambiando in quella zona, quanto questo diventi udibile dipende dalla frequenza, dall’entità del fenomeno e dal contenuto musicale. Alle basse frequenze la tolleranza dell’orecchio è generalmente maggiore che nella gamma media, anche se ritardi sufficientemente elevati possono diventare percepibili.
Il parametro è dunque utile, non è però un numero dal quale si possa dedurre da solo se un diffusore avrà un basso “veloce”.
L’induttanza della bobina
Nei grandi woofer la bobina può avere dimensioni e numero di spire considerevoli, ciò porta ad una certa induttanza. Salendo in frequenza, l’induttanza contribuisce all’aumento dell’impedenza e alla progressiva riduzione della risposta.
Il fenomeno è particolarmente importante nella parte superiore della gamma affidata al woofer.
Nei trasduttori più sofisticati vengono spesso impiegati anelli o manicotti conduttivi nel circuito magnetico che servono a controllare l’induttanza e soprattutto le sue variazioni durante il movimento della bobina. Il vantaggio principale non è un generico aumento della “velocità” bensì una maggiore linearità del motore, con benefici sulla risposta e sulla distorsione.
Che cosa ascoltiamo quando diciamo “basso veloce”
Nella pratica, la sensazione nasce quasi sempre da più fattori contemporaneamente. Un basso appare ben articolato quando gli attacchi rimangono leggibili, le note non vengono mascherate da decadimenti eccessivi e il sistema non aggiunge troppo contenuto attraverso risonanze e distorsione. Conta anche l’integrazione con la gamma media, un woofer che si incrocia male con il midrange può far sembrare poco preciso un sistema che, considerato solo alle basse frequenze, non presenta particolari problemi.
La dinamica ha un ruolo altrettanto importante, quando un trasduttore viene spinto verso i propri limiti, compressione termica, escursione e non linearità possono ridurre il contrasto tra un evento e quello successivo. Il risultato può essere percepito come vicino a ciò che gli appassionati chiamano “lentezza” rispetto all’idea di un cono che non riesce materialmente a muoversi abbastanza in fretta.
E quindi: grande o piccolo? Conclusioni
Il diametro non è una misura della velocità ma un grande woofer parte con un vantaggio importante: molta superficie radiante e quindi meno escursione richiesta per produrre una determinata pressione alle basse frequenze.
Parte anche con una possibile difficoltà: una massa mobile generalmente maggiore, che richiede un motore adeguato.
Da quel momento in poi decide il progetto, forza del motore, linearità dell’escursione, sospensioni, induttanza, allineamento del cabinet, crossover e ambiente determinano molto più del diametro nominale. Per capire perché un basso suona rapido conviene quindi guardare prima alla risposta del sistema e alle sue risonanze, poi alla distorsione e all’escursione richiesta, infine ai singoli parametri del driver.
Il woofer grande non è immune dai problemi, semplicemente, la lentezza non è uno di quelli che il diametro gli assegna per natura.
PS Chi volesse integrare, correggere, migliorare questo contenuto postando nei commenti è il benvenuto.
Per approfondire (rendiamo grazie a Google)
- Richard H. Small, “Direct-Radiator Loudspeaker System Analysis”, Journal of the Audio Engineering Society, 1972. È una fonte classica per la relazione tra parametri del driver, risposta alle basse frequenze, efficienza e comportamento del sistema. Utile per la parte su massa, forza del motore, Q e caricamento.
- Aki Mäkivirta, Juho Liski, Vesa Välimäki, “Effect of Delay Equalization on Loudspeaker Responses”, AES Convention 144, 2018. È molto pertinente per risposta impulsiva, fase, group delay, crossover e comportamento massa-compliance del diffusore.
- Juho Liski, Aki Mäkivirta, Vesa Välimäki, “Audibility of Loudspeaker Group-Delay Characteristics”, AES Convention 144, 2018. È la fonte più adatta per evitare affermazioni semplicistiche sull’udibilità del group delay. Lo studio mostra anche che la sensibilità varia con la frequenza e con il contenuto a bassa frequenza.
- A. N. Thiele, “Loudspeakers in Vented Boxes”, Journal of the Audio Engineering Society, 1971. Insieme ai lavori di Small costituisce la base teorica classica per l’analisi dei sistemi reflex e dei loro allineamenti.
- Wolfgang Klippel, “Loudspeaker Nonlinearities — Causes, Parameters, Symptoms”, Journal of the Audio Engineering Society, vol. 54, n. 10, pp. 907–939, ottobre 2006. È probabilmente la fonte di Klippel più pertinente perché tratta in modo organico proprio le principali nonlinearità che interessano il presente argomento: variazione del fattore di forza Bl(x), compliance della sospensione Cms(x), induttanza della bobina Le(x,i), escursione e generazione di distorsione.
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