EFFICIENZA DEI CONI E DELLE CASSE

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Introduzione:

In un amplificatore, sia esso adatto a uno strumento musicale oppure a un impianto di riproduzione audio, uno dei primi parametri usati nella scelta del nostro acquisto è quello della potenza erogata che è espressa in watt efficaci o rms.

Tale valore rappresenta la massima potenza erogata dagli stadi finali su un ben preciso carico ohmico, in genere di quattro o otto ohm.

Questa è misurata o calcolata dal produttore prendendo il massimo valore in ampiezza della tensione sul carico prima citato un attimo prima che avvenga la saturazione dell'elemento attivo (valvola o transistor) che porta alla limatura della cresta positiva, negativa o entrambe della nostra onda musicale.

La formula per calcolare tale potenza è molto semplice:

Peff=0,125*Vpp*Vpp/Rload

in cui Peff è la potenza efficace o rms espressa in watt;

Vpp è la tensione picco-picco e cioè la massima escursione del segnale;

Rload il nostro carico espresso in ohm.

Ad esempio supponiamo d'avere un Vpp=16 V e una Rload=8 ohm e di voler calcolare la potenza erogata dal nostro amplificatore che sarà:

Peff=0,125*16*16/8 = 4 Wrms

Dalla formula s’intuisce che dimezzando il carico si raddoppia la potenza d'uscita, sempre che il nostro stadio finale e il circuito di alimentazione siano idonei a lavorare con il nuovo carico.

Questo tipo di spiegazione è stata semplificata al massimo per essere chiari con tutti i lettori ed è valida maggiormente per i finali a stato solido che in genere arrivano al massimo della loro potenza erogata con il minimo di distorsione armonica totale, la famosa THD, che è espressa in percentuale.

Al contrario un finale che utilizza valvole inizia gradualmente la sua distorsione e quindi è più difficile trovare il suo punto di massima potenza erogata indistorta.

Spesso si dichiara la potenza massima di un valvolare, quando arriva a un certo livello di distorsione THD che può essere del 5% ma anche del 10%.

Una grande differenza tra i due sistemi è la presenza sui valvolari del trasformatore d'uscita necessario per adattare l'alta impedenza d'uscita delle valvole (in genere di svariate migliaia di ohm) alla bassa impedenza dell'altoparlante (da quattro a sedici ohm).

Questi trasformatori prevedono spesso varie uscite sul secondario per adattare ogni valore d'impedenza di carico in modo da ottenere il massimo trasferimento di potenza e le condizioni di lavoro ottimali delle valvole che altrimenti potrebbero bruciarsi.

Al contrario i transistor non hanno trasformare d'uscita poiché i suoi elementi attivi, possono essere connessi direttamente agli altoparlanti.

Gli altoparlanti:

Abbiamo già detto che dimezzando il carico su un finale a transistor la potenza raddoppia portando ad avere la possibilità d'utilizzarlo in due o anche tre configurazioni di potenza.

Questo in pratica non accade perché una parte del segnale è assorbito dalle resistenze di polarizzazione o dagli stessi elementi attivi che si traduce in un aumento ridotto al 50% circa, nel caso precedente si potrebbe passare da 4 Wrms a 6 Wrms.

Tuttavia il carico che 'vede' il nostro finale di potenza non ha niente a che vedere con il carico ohmico trattato finora poiché un altoparlante non presenta un andamento di resistenza lineare in frequenza, ma un'impedenza complessa che è formata dalla resistenza in c.c. (quella che si può misurare con un comune tester), inferiore all'impedenza dichiarata dal costruttore, sommata all'impedenza dell'avvolgimento della bobina che fa aumentare il valore risultante alle frequenze più alte.

Tutto ciò si traduce in frequenze in cui è erogata più potenza e altre meno e occorre linearizzarla nei finali a transistor con componenti aggiuntivi: induttanze, condensatori e resistenze.

Sotto possiamo vedere il grafico d'impedenza e di risposta in frequenza di un piccolo altoparlante di 4 ohm in alnico che ha queste caratteristiche:

Diametro 8 pollici=20 cm, potenza 25 Watt, resistenza in c.c. 3,0 ohm, induttanza avvolgimento 0,21 mH, frequenza di risonanza 129 hz, sensibilità 94,1 db/1W/1m.

La resistenza in c.c. ha un valore molto vicino ai 20 hz indicato dalla freccia blu, mentre la rossa c'indica l'impedenza massima alla frequenza di risonanza di 129 hz e la freccia verde, l’impedenza minima oltre la quale ritorna a crescere a causa dell'effetto dell'induttanza da 0,21 mH.

Non avendo l'amplificatore, un carico costante, la sua potenza erogata dipende dalla frequenza del segnale e in questo caso si ha un picco a 129 hz, dove il segnale è molto più forte seguito da una rapida attenuazione delle frequenze inferiori.

Normalmente si cerca di fare in modo che la frequenza di risonanza sia inferiore a quella più bassa da riprodurre, ma nel caso usassimo questo cono su un ampli per chitarra, troveremmo le frequenze da 80 a 100 hz un po' carenti che potrebbero essere riequilibrate con un attento studio della cassa acustica.

Oltre quindi al picco di risposta dei 129 hz stimato a 100 dB SPL, con il grafico superiore della risposta in frequenza si possono notare due altri picchi a circa 3 Khz (104 dB SPL) e 12 Khz (87 dB SPL) e dei buchi a 400 hz (89 dB SPL) e 10 Khz (77 dB SPL) che ci fornisce un'idea di massima del suono che ascolteremo.

Essendoci variazioni di oltre 20 dB tra le varie frequenze l'utilizzo di un altoparlante invece di un altro produce enormi differenze sul suono riprodotto comportandosi come un equalizzatore passivo.

E' da notare che questi grafici sono ricavati in camera anecoica con l'altoparlante spinto da un solo watt di potenza e ripreso da un microfono a un metro di distanza.

Se fosse spinto alla massima potenza, otterremo più escursione della membrana che comunque genera una compressione del segnale e una risposta in frequenza diversa.

Occorre far presente che il livello di sensibilità pari in questo caso a 94,1 dB/1W/1m, è misurato con un segnale di 1 Khz e normalmente è di valore superiore per i coni più grandi e questo ci dà un'idea dell'efficienza del cono a tradurre in suono la potenza che è applicata.

Scelta della potenza di un altoparlante:

Nel caso di un amplificatore per chitarra elettrica, non essendoci normalmente i tweeter per gli acuti che potrebbero danneggiarsi in caso di saturazione del finale, è preferibile dimensionare la potenza che possono sopportare i vari altoparlanti in modo che sia uguale o maggiore della potenza massima erogata dallo stesso. Sapendo comunque che gli altoparlanti possono riprodurre brevi picchi di segnale superiore alla loro potenza dichiarata senza distruggersi.

Efficienza dei coni e delle casse:

Vediamo ora cosa si può ottenere se a un ipotetico finale che eroga 70 Wrms su 4 ohm oppure 40 Wrms su 8 ohm provo ad abbinare vari tipi di casse.

Ammettiamo di avere un combo che monta un cono da 12 pollici con un'efficienza di 100 dB/1W/1m.

Dalla formula sotto riportata possiamo ricavarci il livello di pressione sonora a 1 Khz e 1 metro alla massima potenza:

Pressione a (1) metro = efficienza di un cono + 10*log(potenza del finale*numero dei coni)

Consideriamo il nostro amplificatore:

Pressione a (1) metro = 100 + 10*log(70*1)=118,5 dB

La formula ci fa capire che possiamo ottenere la stessa pressione sonora e quindi lo stesso effetto di volume sia raddoppiando il numero dei coni, sia raddoppiando la potenza del finale.

Nella tabella sotto riportata vi sono alcuni esempi di combinazioni dello stesso modello di cono:

Coni__Impedenza_Potenza_Potenza_Equivalente_Pressione_a_1_metro     ________ohm_____Wrms_______Wrms________________dB

1x12_______8_________40____________40_________________116,0

1x12_______4_________70____________70_________________118,5

2x12_______8_________40____________80_________________119,0

2x12_______4_________70___________140_________________121,5

3x12_______6_________50___________155_________________121,8

4x12_______8_________40___________160_________________122,0

4x12_______4_________70___________280_________________124,5

Come volevasi dimostrare con 2 coni e impedenza di 4 ohm ho l'equivalente di un finale di potenza doppia e un incremento di 3 dB mentre con 4 coni e impedenza sempre di 4 ohm ho l'equivalente di un finale di potenza quadrupla e un incremento di 6 dB.

Potete vedere come la pressione sonora indicata anche in potenza equivalente cresca in maniera proporzionale al numero degli altoparlanti, per questo molti professionisti utilizzano casse con quattro coni.

Ora se v'interessa conoscere quant'è la pressione sonora del vostro amplificatore a una certa distanza invece che a un metro occorre la seguente formula:

Pressione a (n) metri = pressione a (1) metro - 20*log(distanza in metri)

Considerando il nostro amplificatore a una distanza di 4 metri (esempio il chitarrista) otteniamo:

pressione a (4) metri = 118,5 - 20*log(4) = 106,5 dB

A una distanza di 10 metri (esempio il pubblico) otteniamo:

pressione a (10) metri = 118,5 - 20*log(10) = 98,5 dB

Adesso se riprendiamo la nostra amata cassa 4x12 sopra menzionata e facciamo il calcolo a una distanza di 20 metri (esempio il mixer) otteniamo:

pressione a (20) metri = 124,5 - 20*log(20) = 98,5 dB

Possiamo quindi concludere affermando che a parità di finale di potenza, una cassa 4x12 riesce ad ottenere la stessa pressione sonora e quindi lo stesso volume del singolo altoparlante a una distanza doppia.

ATTENZIONE: Tutta questa teoria è valida in spazio aperto e senza tener conto dell'efficienza della cassa in sé, mentre in locali chiusi tanti altri fattori incidono sul risultato finale (palco, muri, tappezzeria, tende ecc... ecc...).

Alla fine se non v'interessano le formule affidatevi sempre al vostro orecchio, poiché l'efficienza di un sistema sonoro non è legato in nessuna maniera alle sue qualità musicali.

Conclusioni:

Sarebbe auspicabile se in futuro i costruttori d'amplificatori dichiarassero oltre alla potenza erogata dal finale anche la pressione sonora alla massima potenza, misurata a un metro di distanza, con un segnale di 1 Khz, in modo da dare un'idea dell'efficienza di un sistema sonoro che spesso è intuibile solo dalle dimensioni della cassa e dal costo complessivo.