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Il subwoofer: come e perché
Il subwoofer: come e perché
Gian Piero Matarazzo - 22 Aprile 2016
“Cosa ci dobbiamo aspettare da un subwoofer da inserire nel nostro impianto? Quali sono le caratteristiche che dobbiamo tenere nel conto quando ci apprestiamo a scegliere un subwoofer? In questi casi sarÓ utile rileggere queste quattro note.”
Pagina 1 - Introduzione: il subwoofer


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Il subwoofer nasce commercialmente verso la fine degli anni ’80 e serve per estendere verso il basso la risposta dei sistemi di riproduzione sonora che nel frattempo stavano diventando sempre più piccoli. Si tratta quasi sempre di un solo diffusore monovia, dotato di un altoparlante progettato e costruito per riprodurre una porzione di spettro che va, di solito, dai 20 Hz ai 100 Hz.

Le implicazioni di tale scelta sono molte, ma quelle che determinano l’effettiva bontà del progetto sono sostanzialmente due: estensione verso le basse frequenze e tenuta in potenza. Nella corretta valutazione di un subwoofer occorre poi mettere nel conto anche la rigidità della costruzione, la massima potenza elettrica erogabile dall’amplificatore interno.

Tra le caratteristiche in realtà non dobbiamo dimenticare la sezione del trattamento del segnale che sta diventando sempre più sofisticata, con DSP integrati che permettono di selezionare curve di risposta diverse, oppure consentono di "caricare" file di calibrazione personalizzati all'interno della sezione di elaborazione, oppure ancora il SUB viene fornito con sistemi integrati di analisi della risposta in ambiente e creazione di file di calibrazione.

Cerchiamo quindi di analizzare dettagliatamente questi aspetti, uno per uno, con un duplice scopo: sia per aiutarvi nella scelta del vostro prossimo subwoofer ma anche per proporre una sorta di benchmark per rendere più semplice ed efficace la comparazione tra prodotti differenti.

 

Pagina 2 - Estensione in frequenza


Da sinistra sub con dimensioni crescenti: PSB, Velodyne 1812, SVS 13 Ultra e Wisdom Audio STS,
quest'ultimo di tipo passivo in linea di trasmissione, con mobile da 600 litri e sensibilità di 101dB a 20Hz

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I subwoofer in genere sono catalogabili in due categorie: quelli di dimensioni contenute e quelli grossi e potenti. Al primo gruppo appartengono i subwoofer che utilizzano trasduttori che vanno da 5 a 10 pollici, come a dire da 130 a 250 millimetri di diametro nominale. Come vedremo nella parte dedicata alla tenuta in potenza questo tipo di sub, ancorché allettante per le dimensioni, è quello che ha più difficoltà nell’emettere basse frequenze, sia per le dimensioni dell’altoparlante che per il volume di aria spostata dalla membrana.

Si ricorre molto spesso ad una equalizzazione attiva che cerca di linearizzare la risposta quanto più possibile a spese della potenza immessa e dell’escursione stessa del trasduttore utilizzato. All’inizio della immissione sul mercato dei primi subwoofer era raro trovare altoparlanti con una escursione lineare di 5 o 6 millimetri e soltanto qualche costruttore illuminato proponeva woofer con una escursione appena maggiore. Oggi non è difficile trovare altoparlanti con 8 o 10 pollici dotati di una escursione di 10 o 12 millimetri, per un volume d’aria spostato quasi doppio.

L’estensione comunque è data dalla coerenza dei parametri caratteristici e dal carico acustico dato dal volume a disposizione, quasi sempre caricato in bass reflex. Trovare un woofer che possa scendere tra i 20 ed i 30 Hz in cassa chiusa con una pressione ancora accettabile è veramente molto difficile. Un buon subwoofer deve poter garantire una estensione alle basse frequenze compresa tra i classici 20 Hz ed i 40 Hz. Subwoofer che dichiarano una frequenza bassa superiore a questo intervallo sono da considerarsi come obbedienti a tutta una serie di compromessi troppo stringenti.

I subwoofer di dimensioni maggiori, oltre i 40-50 litri,  ripagano in genere con una maggiore estensione, supportata oltretutto da una migliore tenuta in potenza. In genere ci sono tre topologie circuitali che condizionano il comportamento alle basse frequenze: il reflex classico, il reflex equalizzato e la cassa chiusa equalizzata. Il primo ha bisogno di woofer di discrete dimensioni e un discreto volume del mobile. Il secondo sopperisce con l’equalizzazione alla mancanza di estensione dovuta al volume utilizzato per il carico. Anche il terzo usa l'equalizzazione, per linearizzare la risposta di un diffusore che di sicuro non scende al di sotto dei 60 Hz.

E non ve ne venite con le considerazioni sullo smorzamento della cassa chiusa, perché un subwoofer in cassa chiusa per poter scendere deve essere equalizzato con un passa alto. Ecco che la risposta totale, filtro più woofer, assume lo stesso andamento di un bass reflex, con tanti audiofili che non se ne accorgono e parlano di caratteristiche migliori.

 

Pagina 3 - Tenuta in potenza


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La tenuta in potenza è legata a doppio filo con l’estensione perché una perversa legge della fisica dichiara che la massima pressione indistorta è direttamente proporzionale al volume di aria spostata ed al quadrato della frequenza. Ciò, in termini più semplici, ci fa notare come la massima pressione raggiungibile aumenta di 12 decibel per ogni raddoppio della frequenza. Un woofer da otto pollici, tanto per intenderci, con un diametro efficace di 168 millimetri che si sposta linearmente di 5 millimetri, può erogare al massimo 88,6 decibel a 30 Hz, 93,6 decibel a 40 Hz, 97,4 decibel a 50 Hz e 100,6 decibel a 60 Hz.

E’ implicito che se vogliamo ottenere pressioni maggiori a queste frequenze abbiamo una sola strada da percorrere, quella di aumentare o la superficie dell’altoparlante o la sua escursione. Raddoppiando il diametro (che equivale a quadruplicare l’area di emissione) si ottiene alla stessa frequenza una pressione maggiore di 12 decibel, mentre a parità di diametro raddoppiando l’escursione si ottiene un aumento di soli 6 decibel. Questa caratteristica ineluttabile dei trasduttori a radiazione diretta rischia di forviarci nella scelta di un subwoofer, almeno se ricerchiamo un dato di pressione massima indistorta fin troppo elevato per il nostro ambiente di ascolto.

Comunque, nella corretta valutazione dei dati dichiarati dal costruttore, è bene fare due paragoni a parità di dimensione, anche se occorre ammettere che raramente il dato di massima pressione viene dichiarato. Va tenuto nel conto un altro particolare spesso trascurato. La lunghezza d’onda delle basse frequenze è notevole, ed una volta sistemato il sub in ambiente intervengono diversi fattori "inquinanti" che in qualche modo rafforzano l’emissione del suono da 20 a 200 Hz.

Oltre a ciò dobbiamo tenere conto del fatto che nella musica, specialmente quella rock e quella moderna, le basse frequenze, fino a 50-60 Hz occupano una porzione leggermente minoritaria di ampiezza, così da richiedere meno pressione indistorta rispetto alla gamma mediobassa e media. La tenuta in potenza elettrica del woofer è meno importante, visto che i picchi sulle basse frequenze sono sufficientemente distanziati così che la bobina mobile ha il tempo, pur esiguo, per raffreddarsi, a meno che non siate appassionati di musica per organo...

 

Pagina 4 - Costruzione del box


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In generale il box che deve ospitare un woofer per l’emissione delle frequenze più basse, deve essere solido e rigido, anzi. Di più: deve essere indeformabile. Alle frequenze mediobasse, tra i 70 ed i 150 Hz, un altoparlante dotato di un buon motore, può far schizzare la membrana con una accelerazione di diversi “g”, motivo per il quale occorre prevedere, sotto la spinta di un volume notevole di aria spostata, che il box non subisca microdeformazioni delle pareti che farebbero perdere porzioni discrete di pressione emessa.

In realtà se il box è di dimensioni contenute, diciamo 30 x 30 x 30 centimetri, basterebbe il solo involucro esterno realizzato in medium density da un pollice di spessore incollato alla perfezione. Per volumi più grandi, oppure sottoposti a stress misurati con una certa cura, è meglio disporre all’interno del box dei rinforzi che tengono insieme quattro pareti nel punto più fragile, che si rileva sulle pareti del box prima dell’incollaggio del rinforzo stesso.


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Nel tempo molti costruttori hanno sviluppato una buona abitudine, quella di studiare - accelerometro alla mano - quale sia la posizione e la consistenza migliore dei rinforzi interni, costruendo spesso dei veri e propri capolavori di irrigidimento delle strutture. Verrebbe da dire che un subwoofer più pesa e più ci rassicura ma nella pratica non sarebbe del tutto vero. Un mobile di una cinquantina di litri ha bisogno di due soli rinforzi, per un peso aggiunto di meno di 300 grammi sul peso del box in mdf.

Spesso si confonde il fatto che un rinforzo è sollecitato esclusivamente a compressione, motivo per il quale è inutile montare all’interno del box mini pareti dello stesso peso di quelle esterne, che in più si portano dietro altre problematiche difficili da aggirare. Va ancora ricordato che il mobile di un moderno subwoofer ha due punti di debolezza: il foro per ospitare l’altoparlante e quello per ospitare l’elettronica di potenza.

Per evitare fastidiosi soffi d’aria l’elettronica di potenza viene fatta lavorare in un subvolume chiuso, in genere una sorta di scatola di plastica, che costituisce essa stessa una superficie cedevole sotto la spinta dell’altoparlante che si muove. Oggi come oggi la soluzione migliore prevede la chiusura con colla a caldo di tutti i possibili pertugi da cui potrebbe passare l'aria, che poi si riducono al passaggio dei potenziometri ed alla parte posteriore dei connettori di ingresso-uscita.

 

Pagina 5 - Trattamento del segnale


Il software "Room Analizer Pro II" di XTZ permette, tra le altre cose,
di semplificare l'allineamento temporale tra sub e satelliti

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Un subwoofer trova da sempre un anello debole, debolissimo nel suo interfacciamento con il sistema satellite, ovvero con i diffusori frontali. Parlare del corretto interfacciamento tra subwoofer e satellite non è lo scopo di questo articolo, motivo per il quale ne tratterò molto brevemente, ma ciò non toglie che potrebbe rivelarsi utile ritornare su questo discorso nella maniera che più mi si addice, ovvero con i fatti, ove possibile. Rimane il fatto che l’elettronica di controllo del segnale prima dell’amplificazione assume un ruolo fondamentale nella messa a punto del sistema. Da tutte le misure fatte per Digital Video e AudioREVIEW su molti subwoofer, vengono fuori diverse considerazioni.

La prima, probabilmente la più importante, è che la manopola del crossover elettronico non indica mai l’effettiva frequenza di taglio acustico, ma il più facile ed immediato taglio elettrico. Capita così, come ho sempre evidenziato, che ad una indicazione del taglio a, poniamo, 70 Hz corrisponda un abbassamento della pressione che inizia a tagliare poco oltre i 100 Hz, e che il subwoofer, con lo stesso incrocio minimo, posto quasi sempre a 40 Hz, in effetti inizi a tagliare poco al di sotto degli 80 Hz, falsando completamente il nostro setup. Sono pochissimi e si contano sulle dita di una sola mano, i modelli di subwoofer che mettono d’accordo il taglio indicato sulla manopola con quello effettivamente misurato acusticamente.

Le pendenze, altro nodo fondamentale, sono in genere due soltanto: a 12 oppure a 24 decibel per ottava. Se il subwoofer scende molto, ciò non costituisce un grande problema, a patto che poi il sistema satellite sia allineabile ad una pendenza simile, almeno come smorzamento. I controlli che servono sostanzialmente sono tre: controllo della potenza (la manopola del volume), controllo della frequenza di taglio del passa basso, e controllo continuo della fase, ovvero la possibilità di variare la fase da zero a 180° senza soluzione di continuità. I primi subwoofer avevano soltanto il deviatore per invertire la fase, che in genere è già invertita all’interno del subwoofer.

Oggi qualunque subwoofer che si rispetti ha il controllo continuo della fase, controllo che torna utilissimo. Nel caso di utilizzo del subwoofer in sistemi home theater e in mancanza di un controllo della fase continuo, in teoria è possibile agire modificando la distanza dei subwoofer rispetto al punto d'ascolto. In ogni modo, per chi ne ha la possibilità, è bene che utilizzi una misura sia del satellite che del subwoofer almeno a terzi di ottava col rumore rosa, almeno per tentare un incrocio ragionato.

 

Pagina 6 - Potenza e conclusioni


A destra il sub Cabasse Saturn 55 con potenza RMS di 1000W;
a sinistra, il Velodyne 1812 con doppio woofer e 2.500W RMS totali

Per quanto possa sembrare strano, la potenza dichiarata dai costruttori per il subwoofer attivi, non sta a testimoniare la potenza che noi inviamo al woofer quando alziamo il volume. Facciamoci due conti: ad ogni raddoppio della tensione di ingresso dell’amplificatore, la potenza erogata all'altoparlante quadruplica. Se il subwoofer utilizza un equalizzatore interno con guadagno, al limite basso dell’estensione di sei decibel, metà della potenza a disposizione sarà utilizzata soltanto a questa frequenza.

Immaginiamo una sospensione pneumatica che in una trentina di litri, con un 10 pollici adeguato, riesca a scendere a 50 Hz: per farlo scendere fino a 25 Hz occorre un filtro passa alto che “guadagni” di suo ben 12 decibel, che in tensione vale 3,98 Volt/volt. Occorrerà a questa frequenza 15,8 volte la potenza necessaria rispetto alla banda passante (es. 100 Hz): mille watt per utilizzare poco più di 63 watt alle altre frequenze. Il consiglio allora diventa: potenza quanta più possibile, a seconda delle dimensioni e della configurazione utilizzata.

In conclusione, cerchiamo di stilare una classifica dei parametri a cui prestare attenzione quando dobbiamo valutare un subwoofer. Quella che ho stilato io dopo aver misurato e smontato qualche centinaio di subwoofer potrebbe essere questa:

 Parametro  min  max
 Estensione in frequenza @ -3 dB  1 (60Hz)  9 (20Hz)
 Distorsione terza armonica a f-3 @ 100 dB  1 (20%)  9 (1%)
 Vibrazioni del box (accelerometro)   1 (min)  9 (max)
 Diametro del woofer  1 (10cm)  9 (46cm)
 Crossover, controllo di fase e DSP  1 (min)  9 (max)
 Tenuta in potenza a varie frequenze  1 (min)  9 (max)
 Volume esterno del box  1 (200l)  9 (20l)
 Rapporto qualità prezzo  1 (min)  9 (max)

Per la maggior parte dei parametri, il voto sarà correlato direttamente con le misure, alcune delle quali ancora in fase di definizione. In altri casi, come nella voce che riguarda crossover, controllo fase e DSP oppure il rapporto qualità prezzo, il giudizio sarà sicuramente soggettivo, pur se elaborato da chi ha sulle spalle centinaia di prodotti analizzati in più di 20 anni. Nel salutarvi, vi anticipo che a breve leggerete i test dei primi due subwoofer che mi sono capitati sotto tiro e che pubblicheremo a breve: funzionano molto bene e costano veramente poco.

Gian Piero Matarazzo