2020 – MILESTONES

.

Parte 1: “Sulla Direttività Controllata“

La DIRETTIVITA’ misura la direzionalità di una fonte sonora ed è molto importante perché indica la quantità di suono che viene diretta verso una specifica area comparata a tutta l’energia prodotta dalla sorgente.

In un ambiente riverberante, come le normali sale d’ascolto, il suono che non raggiunge l’area desiderata rimbalza intorno e va ad aggiungersi al rumore di fondo.

Aumentare la quantità di energia sonora che raggiunge l’area d’ascolto e allo stesso tempo ridurre quella che va in tutte le direzioni, contribuisce senz’altro ad un ascolto più preciso e nitido: esattamente ciò che si ottiene con il nostro sistema a direttività controllata.

La direttività di una sorgente sonora lega le dimensioni della sorgente alla lunghezza d’onda delle frequenze riprodotte dalla stessa.

Poiché la lunghezza d’onda del “suono HI-FI “(20 Hz- 20 KHz) varia circa da 17 metri a 1,5 centimetri, vediamo come si comporta un sistema di altoparlanti al variare della frequenza.

A seguire, il confronto tra i diagrammi polari di due sistemi a tre vie con i medesimi altoparlanti e con le stesse frequenze di crossover:

• WOOFER da 30 cm montato su un pannello largo 38 cm che copre la banda da 45-450 Hz
• MIDRANGE DA 13 cm con banda passante 450-4.500 Hz
• TWEETER DA 2,5 cm con banda passante 4.500-25.000 Hz

(Fig. 1 – A sinistra un sistema convenzionale (il 99% di quelli in commercio), a destra il nostro sistema MILESTONES)

Appare chiaro come la dispersione delle MILESTONES passi senza salti dai 180° a 45 Hz ai 40° a25KHz semplicemente restringendosi gradualmente all’aumentare della frequenza. Appare altrettanto chiaro, invece, come un sistema convenzionale non eserciti alcun tipo di controllo sulla direttività.

Teniamo presente, in questa era di correzioni ambientali digitali, che non è possibile in alcun modo utilizzare un equalizzatore per correggere le variazioni in frequenza fuori asse causate da variazioni della direttività del sistema. Equalizzando possiamo solo agire sulla pressione sonora totale emessa, per aumentarla o diminuirla, ma non possiamo certo variare la pressione solo in determinate direzioni (non possiamo quindi, ad esempio, diminuire i bassi che “girano dietro” il mobile senza diminuire il livello dei bassi anche frontalmente).

.

Parte 2: “…Questa stanza non ha più pareti…“ (o quasi)

Il progetto di un sistema di altoparlanti può essere affrontato in modo corretto se si basa sui punti indicati nella sezione The Fab Four o in modo sbagliato se si basa esclusivamente sull’utilizzo di materiali esotici e di alta ebanisteria.

In entrambi i casi, quello che il progettista non può conoscere è l’ambiente d’ascolto in cui il sistema suonerà.

Progettare un sistema di altoparlanti senza conoscere le caratteristiche acustiche dell’ambiente significa non conoscere il 50% dei dati di progetto.

L’unica via per aggirare questo inconveniente enorme è… eliminare le pareti del nostro ambiente d’ascolto… o, più verosimilmente, eliminare le prime riflessioni da esse prodotte: ciò che il sistema MILESTONES realizza attraverso il controllo della direttività.

Quando riflessioni multiple di un segnale sono ricevute da un ascoltatore nell’arco di 20 millisecondi dal suono diretto, esse sono percepite come parte del suono originale. Il risultato è che l’ascoltatore non è in grado di udire accuratamente ciò che gli altoparlanti stanno suonando e inoltre si creano filtri a pettine che esaltano alcune frequenze e ne attenuano altre, perciò le prime riflessioni devono essere attentamente controllate in ogni ambiente in cui sia richiesta un’accurata riproduzione musicale.

Notiamo che nel MASTER HANDBOOK OF ACOUSTICS, testo di riferimento per l’acustica architettonica, si dice chiaramente che: “… dovrebbe esistere un percorso effettivamente anecoico tra gli altoparlanti e le orecchie dell’ascoltatore…”. Il modo più ovvio per ottenere un “percorso anecoico “, o come è uso dire RFZ (Reflection Free Zone), è l’assorbimento del suono.

E’ però difficile, costoso e oltremodo antiestetico effettuare un corretto trattamento acustico dell’ambiente d’ascolto, in quanto il nostro obiettivo non è quello di ottenere una stanza “morta” o una che presenti le caratteristiche acustiche di un piccola sala da concerto. Le registrazioni contengono già le “informazioni ambientali” del luogo ove sono avvenute. Per poterle rivivere nel nostro soggiorno così come sono state riprese dobbiamo ottenere una stanza neutra, che non aggiunga né tolga nulla a quanto già presente nell’incisione.

Ora vi chiediamo: quanti di voi hanno usato almeno il “trucco dello specchio” per individuare i punti di prime riflessioni e vi hanno applicato pannelli fonoassorbenti spessi almeno 10 cm? (spessori inferiori sono assolutamente inutili, come alcuni buffi pannellini spessi 2/3 cm che ogni tanto vediamo appesi a casa di qualche audiofilo convinto di aver fatto il “trattamento acustico” della propria sala d’ascolto).

Molto meglio utilizzare un sistema progettato in modo da non innescare le più deleterie riflessioni e che privilegi il suono diretto su quello riverberato, a tutto vantaggio della precisione dei dettagli e dell’immagine dell’evento musicale.

Non scordiamo che è il suono diretto a fornire le indicazioni necessarie al nostro cervello per ricostruire la distribuzione nello spazio degli elementi sonori.

Ma come riusciamo ad ottenere con il sistema MILESTONES quello che per i sistemi convenzionali costituisce una variabile incontrollabile?

Vediamo come si comportano le 3 sezioni che compongono il sistema.

.

Parte 3: “Sezione Bassi (45-450Hz): Il Woofer Cardioide“

E’ costituita da un altoparlante di 28 cm di diametro con un’efficienza di 98 dB, montato in cassa aperta con emissione a cardioide. Come possiamo vedere nell’immagine seguente, la particolarità del cardioide è l’assenza dell’emissione posteriore:

In questo modo viene “eliminata” la parete posteriore e le relative deleterie onde riflesse, permettendo inoltre il libero posizionamento in ambiente, anche contro la parete di fondo, con un notevole risparmio di spazio.

Inoltre, la dispersione si mantiene costante e pari a 180° nella decade 45/450 Hz (ricordiamo che nel caso del sistema tradizionale del confronto in apertura, la dispersione nella stessa decade variava da 360° a 180°).

L’emissione a cardioide è ottenuta grazie ad un secondo altoparlante, con opportune caratteristiche, posto nel medesimo mobile, controllato via DSP e dotato di proprio amplificatore.

A sostegno dell’utilità della risposta polare a cardioide è opportuno citare le conclusioni tratte nella 115° convention dell’AES in tema di controllo della direttività a bassa frequenza per una migliore riproduzione musicale in ambiente chiuso (LOW-FREQUENCY POLAR PATTERN CONTROL FOR IMPROVED IN-ROOM RESPONSE): “…si può affermare che una sorgente a cardioide offre maggiore libertà verso i cambiamenti di posizionamento nell’ambiente d’ascolto e maggiore insensibilità alle caratteristiche di assorbimento della stanza stessa…almeno fino al più basso modo di risonanza”.

L’ulteriore grande vantaggio di una simile configurazione è la considerevole riduzione della distorsione: non è più necessaria l’equalizzazione a +6 dB/ott, indispensabile per il funzionamento in cassa aperta di un altoparlante con fattore di merito totale pari a 0.5, come quello qui utilizzato per avere il massimo smorzamento e velocità di risposta.

Poiché la distorsione prodotta da un altoparlante è proporzionale all’escursione della bobina, l’assenza dell’equalizzazione riduce in modo drastico l’escursione richiesta, ottenendo un altrettanto drastica riduzione della distorsione.

Ennesimo beneficio è la riduzione dell’Effetto Doppler, anch’esso dovuto all’escursione del cono, che modula le frequenze medio-basse; abbiamo quindi all’ascolto una riproduzione del medio-basso chiara e perfettamente intellegibile.

Infine, il posizionamento dell’altoparlante molto vicino al pavimento fa sì che anche questa superficie venga “eliminata”: le riflessioni da essa prodotte cadono al di fuori della gamma delegata al woofer, ovvero al di sopra dei 450Hz. Allo stesso tempo tale posizionamento offre un incremento di livello su tutta la gamma di circa di 2dB, portando il rendimento della sezione bassi sopra i 100 dB!

 

Parte 4: “Sezione Medi (450-4.500Hz): La Guida d’Onda Asimmetrica“

E’ costituita da un altoparlante da 13 cm montato in una GUIDA D’ONDA IN LEGNO con un perimetro di 190 cm che garantisce, quindi, una frequenza di cut-off di circa 180 Hz, ben al di sotto del limite inferiore della banda di frequenze riprodotte. Non avremo alcuna riflessione alla bocca a “rovinare” la delicata gamma media.

Notiamo che questa decade, 450-4.500Hz, è costituita dalle frequenze alle quali il nostro orecchio è più sensibile e in cui cade gran parte del messaggio musicale.

La guida d’onda ha angoli di copertura di 40° sul piano orizzontale e di 90° su quello verticale.

Sul piano orizzontale presenta un profilo di espansione conico e quindi garantisce una copertura costante poiché questo è l’unico profilo che simula adeguatamente il settore di sfera pulsante non provocando distorsione nel fronte d’onda che si propaga dalla gola alla bocca. Inoltre, grazie alla più rapida espansione alla gola rispetto agli altri, il profilo conico è quello che mostra la minore distorsione dovuta a non linearità dell’aria.

Sul piano verticale abbiamo un profilo Tractrix che garantisce un incremento di pressione sonora di circa 6 dB equiparando il livello dei medi a quello della Sezione Bassi.

Riguardo alle prime riflessioni, possiamo notare che la nostra guida d’onda:

• non emette posteriormente, quindi niente riflessioni dalla parete di fronte all’ascoltatore,
• il suo ristretto angolo di copertura orizzontale, combinato con l’orientamento verso l’interno della zona di ascolto, elimina le prime riflessioni dalle pareti laterali,
• la quota da terra dell’altoparlante, pari a 110 cm, e l’angolo di copertura verticale spostano le prime riflessioni dal pavimento al di fuori della gamma riprodotta, vale a dire al di sotto di 450 Hz.

Quindi…”la stanza non ha più pareti” anche per quanto riguarda la gamma media.

Vediamo ora come varia la dispersione della guida d’onda al variare della frequenza.

Dagli studi di D.B. Keele sappiamo che le dimensioni lineari della bocca, l’angolo di copertura e la frequenza minima a cui tale angolo è garantito sono legate dalla relazione:

con x = dimensione lineare della bocca (orizzontale o verticale)

k = 2,54 x 100000 (costante empirica)

ф = angolo di copertura

 fi = frequenza a cui vale l’angolo ф

Se facciamo qualche conto, vediamo che l’angolo orizzontale di 40° è garantito fino a 1500 Hz per passare gradualmente a 90° a circa 750 Hz e infine a 180° a 450 Hz, uguagliando così l’angolo di copertura del woofer, mentre quello verticale si mantiene costante pari a 90° fino a 450 Hz.

La direttività del sistema passa senza salti da 180°/45Hz a 40°/ 4500Hz, semplicemente restringendosi gradualmente all’aumentare della frequenza!

Dimensionando opportunamente la guida d’onda e sfruttando il fenomeno di PATTERN FLIP, abbiamo fatto in modo che l’energia immessa in ambiente fuori asse non subisse sbalzi nel passaggio dal woofer cardioide alla via successiva: in questo modo la risposta sarà lineare non solo in asse e avremo anche la medesima energia emessa dalle due sezioni per il campo riverberato.

 

Parte 5: “Sezione Alti (4.500-25.000Hz): Il Filtro Meccanico Infrasonico“

E’ composta da un tweeter a membrana anulare in ketone polimero con guida d’onda in alluminio integrata in quella del medio. Questa guida d’onda presenta un angolo di copertura costante di 40° da 4.500 Hz in su, esattamente come la tromba dei medi alla quale si va a sostituire, ancora una volta, senza salti nella dispersione con i medesimi benefici relativi al passaggio woofer-medio.

Possiamo senz’altro dire che MILESTONES è un sistema a direttività controllata realmente sull’intera gamma riprodotta… e notiamo bene che si tratta di un mobile con impronta a terra di soli 38×45 cm!

Per finire, le guide d’onda integrate del medio del tweeter sono disaccoppiate dal mobile del woofer tramite filtri meccanici infrasonici (Fr= 3 Hz) che eliminano totalmente la trasmissione di vibrazioni tra i due elementi, risultato questo estremamente importante se pensiamo che gli spostamenti inflitti dalle vibrazioni di un woofer all’equipaggio mobile di un tweeter possono essere maggiori di quelli richiesti alla bobina del tweeter per la riproduzione del messaggio sonoro.

L’effetto del disaccoppiamento si traduce immediatamente in un consistente aumento della micro-dinamica unito ad una sensazione di maggiore estensione in frequenza e ridotta distorsione.

 

Parte 6: “La Zona Isotipica | L’ascolto della musica è un’emozione da condividere“

La ZONA ISOTIPICA, detta anche “ZONA DEL BUON ASCOLTO”, è quella in cui l’ascoltatore percepisce una sorgente sonora virtuale posizionata al centro dei diffusori.

Purtroppo, con i sistemi convenzionali questa zona si riduce ad un unico punto: il famigerato “sweet spot” dove solitamente si fa sedere l’amico per mostrargli quanto “suona bene” il nostro impianto…

Così facendo si tradisce lo scopo principale dell’avere un impianto che “suona bene”: ascoltare musica! L’ascolto musicale è l’unica “piattaforma social” che ci fa crescere culturalmente e che crea amicizie reali… quindi non è un evento da vivere in solitaria.

Affinché la musica possa essere condivisa è ovviamente necessario ampliare la zona del buon ascolto.

Altri prima di noi hanno perseguito l’idea dell’ampliamento della Zona Isotipica: ESB per prima con la Serie 7 progettata da Giussani e in seguito JBL con la Everest 5500 progettata da Timbers.

Ovviamente non sta a noi giudicare la bontà o meno degli accorgimenti usati da entrambi; nel seguito cercheremo di spiegare quali sono le problematiche da affrontare per riuscire nell’obiettivo.

Considerando un sistema convenzionale, l’ascoltatore posto al vertice del triangolo equilatero che collega i diffusori e lui stesso (sweet spot) percepisce la scena sonora centrata di fronte a lui, ma, se si sposta, percepirà la sorgente sonora che lo segue nello spostamento. Ciò è dovuto alla somma di due fattori:

1. l’attenuazione del livello del diffusore più lontano: per 1,5 metri di spostamento si ha un’attenuazione di poco più di 3 dB,
2. l’Effetto Haas, o effetto di precedenza. E’ questo un effetto psico-acustico per cui, quando ad un ascoltatore pervengono due suoni di pari livello ma leggermente sfalsati temporalmente, il primo determinerà la posizione della sorgente mentre il secondo verrà automaticamente attenuato di una quantità dipendente dalla differenza di tempo tra i due segnali, come riportato nel grafico pubblicato da Haas sul “Journal of the Audio Engineering Society”. Per 1,5 metri di spostamento abbiamo un ritardo di circa 4 millisecondi, che corrisponde a 9 dB di attenuazione.

Si verifica quindi un’attenuazione complessiva pari a -12 dB.

Per “ingannare” il sistema uditivo e fare in modo che il nostro cervello non “crei” lo spostamento dell’immagine virtuale dobbiamo aumentare il livello del diffusore più lontano della medesima quantità, 12 dB, e fare in modo che l’ascoltatore si trovi in asse con l’emissione più lontana.

La tromba del medio utilizzata nelle MILESTONES presenta un indice di direttività di 12 dB determinato dall’angolo di copertura orizzontale фor e verticale фver secondo la relazione:

Questo significa che il suono emesso in asse dalla tromba è esattamente 12 dB più forte del suono emesso da una sorgente non direttiva: abbiamo così guadagnato i 12 dB necessari a ristabilire il livello dopo lo spostamento.

Ora dobbiamo solo aumentare l’inclinazione dei diffusori verso l’interno, puntandoli sulle posizioni più esterne della zona d’ascolto e il sweet spot si trasforma in 3 metri lineari, come quelli di un buon divano dove godere dell’ascolto in compagnia, ovviamente senza alcun detrimento per l’ascolto singolo.

 

Parte 7: “Subwoofer Multipli: nel regno dell’analisi modale“

I subwoofer nel sistema MILESTONES sono un minimo di due e sono dotati di straordinari altoparlanti da 18” (46 cm) che presentano 4 cm di escursione lineare. Una massa mobile estremamente contenuta e un fattore di forza elevatissimo determinano una efficienza di 97 dB.

Il mobile ha un ingombro incredibilmente ridotto di soli 70 litri, con una risposta in basso estesa a 15Hz (-3dB) e capaci, grazie al sistema di caricamento proprietario VASP, di una strabiliante pressione sonora di 112 dB cad. a 15 Hz in condizioni lineari. Sono dotati di DSP ed amplificatore ad alta efficienza da 2 KW.

Sì, caratteristiche impressionanti, ma perché non estendere più in basso la risposta in frequenza del sistema principale evitando l’uso del subwoofer?

Per rispondere è necessario partire da un po’ lontano e parlare ancora di caratteristiche acustiche della stanza d’ascolto.

Al di sotto di una certa frequenza caratteristica per ogni ambiente d’ascolto – detta Frequenza di Schroeder, determinata dal volume della stanza e dal suo tempo di riverberazione T60 – non abbiamo più un campo sonoro riverberato che può essere controllato, ad esempio, con l’impiego del sistema MILESTONES, come abbiamo visto.

Man mano che si scende nelle basse frequenze, le lunghezze d’onda in gioco diventano grandi rispetto alle dimensioni della stanza stessa e si innescano così delle risonanze, dette appunto MODI, perché l’onda sonora colpisce le pareti e, quasi senza attenuazione, rimbalza sovrapponendosi al suono primario. A seconda di come avviene tale sovrapposizione avremo una somma di energia o una cancellazione, ovvero “picchi” o “buchi” nella risposta in frequenza. Questa situazione, inoltre, non si manifesta in modo uguale in ogni punto della stanza d’ascolto.

La risposta alle basse frequenze varia da posizione a posizione non solo dell’ascoltatore, ma soprattutto della sorgente sonora che ha innescato la risonanza.

Ecco perché rendere indipendente la sezione subwoofer dal sistema principale. In questo modo potremo cercare, ad orecchio o con l’ausilio di appositi sistemi di misura, la posizione migliore per il subwoofer, cercando di innescare le minori risonanze possibili, posizione che quasi mai coincide con quella del sistema principale.

“Perché, se proprio è indispensabile il subwoofer, devo usarne più di uno? Io non ho certo bisogno di una pressione sonora maggiore di 112 dB a 20 Hz a casa mia…”. La riposta sta nel fatto che l’unico modo efficace per controllare il problema delle onde stazionarie è “manipolare” i modi dell’ambiente utilizzando subwoofer multipli.

Se sistemando nella stanza un solo subwoofer creiamo, per semplicità di esposizione, un picco ad F1 e un buco ad F2, con il secondo subwoofer possiamo cercare di creare una situazione anti-modale, ovvero un buco ad F1 e un picco ad F2 cosicché la risposta complessiva si vada spianando e diventi molto meno dipendente dalla posizione nella sala d’ascolto. La situazione migliora ulteriormente con l’utilizzo di quattro subwoofer.

E’ quindi spiegato il motivo dei subwoofer multipli, e certo non per aumentare la pressione sonora disturbando tutto il vicinato, anzi: eliminando un picco di parecchi dB dovuto ad una risonanza marcata innescata da un solo subwoofer faremo un grosso favore a tutti!

 

Parte 8: “Il caricamento proprietario VASP (Vent Assisted Sealed Project)“

L’obiettivo è, ovviamente, quello di ottenere la massima estensione verso le basse frequenze con la migliore risposta impulsiva.

L’insieme altoparlante/cassa acustica si comporta come un filtro Passa Alto e come tale è caratterizzato da due fattori:

1. L’ORDINE: determina la pendenza al di sotto della frequenza di taglio (2° ordine: 12 dB/ott = cassa chiusa; 4° ordine: 24 dB/ott = bass reflex) ma anche il GROUP DELAY. In un filtro con ritardo di gruppo costante tutte le frequenze hanno un uguale ritardo nel tempo e non si verifica distorsione di fase (Linear Phase); viceversa, un filtro con ritardo di gruppo che varia con la frequenza produce distorsione di fase. Maggiore è l’ordine del filtro, maggiore è la distorsione di fase.

2. IL FATTORE DI MERITO “Q”: determina lo smorzamento (minore è il valore Q, maggiore è lo smorzamento, ovvero, tanto è più veloce la risposta impulsiva).

Come evidenziato nelle immagini seguenti, il Group Delay – e quindi la variazione di fase acustica – in sistemi chiusi è molto minore rispetto ai sistemi bass reflex (linea nera: sistema chiuso; linea rossa: bass reflex):

  

E’ opinione diffusa che nel range di frequenze al di sotto dei 100 Hz la distorsione di fase sia particolarmente udibile e questa è una delle ragioni per cui i due sistemi suonano in maniera differente.

Tra gli allineamenti in cassa chiusa, il BESSEL, caratterizzato da un Q= 0.577, presenta un ritardo di  gruppo massimamente piatto e offre quindi  le migliori prestazioni nel dominio del tempo (risposta impulsiva).

D’altro canto, il BASS REFLEX offre un innegabile vantaggio: l’escursione del cono alla frequenza di accordo è praticamente nulla in quanto tutta l’energia sonora nell’intorno della frequenza di accordo è prodotta dall’aria contenuta nel condotto di accordo stesso.

Il caricamento VASP unisce i pregi di entrambe le configurazioni.

Giocando opportunamente con l’assorbente interno, le perdite nel condotto e la frequenza di accordo, riusciamo a ricalcare con un Bass Reflex la risposta in frequenza di un allineamento BESSEL (conservando così un Group Delay estremamente lineare). Applicando poi la giusta equalizzazione alla frequenza di accordo, otteniamo le eccezionali caratteristiche di  estensione in basso e smorzamento, caratteristiche uniche del caricamento VASP, senza spingere al limite l’escursione della bobina mobile con grande riduzione della distorsione ed elevatissime pressioni sonore.

 

9° e ultima parte: “Sulla scelta degli altoparlanti“

Nelle discussioni di audiofili sulla “qualità “degli altoparlanti si sente spesso parlare delle miracolose proprietà dei sistemi magnetici in AlNiCo e più ancora dei rari Field Coil (altoparlanti con elettromagnete).

Tuttavia vi sono altri particolari costruttivi che rivestono importanza ben maggiore.

Prima di tutto, chiariamo che non esiste la regola per l’altoparlante perfetto. Ogni altoparlante deve prevedere degli accorgimenti che lo faranno suonare al meglio nella gamma che è chiamato a riprodurre: in altre parole, quello che è giusto, ad esempio, per un medio-basso non lo è per un subwoofer…

Gli altoparlanti per bassi e medi scelti per le MILESTONES presentano:

• coni in carta LEGGERA E NON TRATTATA
• profilo del cono ESPONENZIALE, che è quello che presenta minori fenomeni di break-up ad alta frequenza
• ogiva rifasatrice. Questa non solo migliora la dispersione ad alta frequenza ma elimina sia il suono proprio del dust cap sia la cavità che si andrebbe a creare sotto di esso
• bobina mobile in carta e sospensione in carta pieghettata realizzata in un pezzo unico col cono. Questi particolari sono estremamente importanti in quanto, ogni volta che il suono attraversa materiali differenti, parte del suono viene riflesso andando a creare onde stazionarie sulla membrana stessa

Per il tweeter è stata scelta una membrana in ketone, polimero che non presenta un unico break-up evidente e ben definito – come ad esempio i diaframmi in titanio – ma offre fenomeni di piccola entità e ben distribuiti in frequenza, come la carta utilizzata per i coni, uniformando i timbri dei vari altoparlanti.

Le membrane dei subwoofer, infine, sono realizzate in carta trattata con profilo conico puro, quello che garantisce la minor deformazione assiale, caratteristica fondamentale viste l’escursione e la potenza in gioco. Sospensione perimetrale in tela pieghettata che presenta il miglior controllo del cono con la minima emissione propria. Doppio anello di demodulazione in alluminio che riduce di vari ordini di grandezza la distorsione dovuta alla notevolissima escursione del cono.