Confronto tra una configurazione cardioide “tradizionale” e una variante poco conosciuta

In questo articolo vediamo il confronto tra la classica configurazione cardioide in linea a 3 elementi, con disposizione orizzontale, dove uno dei subwoofer viene ruotato di 180° e che quindi “guarda” il retro della zona di ascolto, e la configurazione Delta, poco conosciuta, che fondamentalmente si realizza allo stesso modo con in più l’arretramento dell’elemento centrale pari alla profondità dei diffusori, in modo che le pareti posteriori dei diffusori siano allineate.

Partiamo dall’analisi di una configurazione standard, ossia con i 3 subwoofer allineati, in modo da potere visualizzare le differenze tra le varie configurazioni, vantaggi, svantaggi, problemi e simili. Per la simulazione ho usato Ease Focus 3 che può sfruttare dei modelli forniti dai produttori, RCF per questo articolo, per semplicità e non da meno per validità dei prodotti: ho usato il modelli del SUB9004-AS in quanto ho notato che il modello del SUB8004-AS, usato in un articolo precedente, mostra una risposta troppo tagliata in basso, infatti il preset era 45Hz-90Hz, mentre per il modello del SUB9004-AS ho usato il preset 30Hz-80Hz, praticamente lo stesso che uso con i miei sub da 18″ fatti con il woofer LF18X401. In Focus ho disposto una zona chiamata genericamente “Audience” pari a 35m x 20m, con inizio dello spazio a -10m, i 3 Sub allineati sullo 0, un piccolo palco da 4m x 3m che inizia a 1m dal retro dei sub, 1 microfono a 15m metri nella zona di “ascolto” e 1 a -2,5m praticamente al centro del palco, entrambi ad un’altezza di 1,80m: di seguito lo schema della disposizione

Schema

Vediamo ora il grafico della dispersione di questa configurazione convenzionale a 3 frequenze di riferimento, 50Hz, 63Hz e 80Hz, dopo avere fissato la scala dell’ SPL tra un minimo di 95dB e un massimo di 130dB, in modo che la colorazione segua di conseguenza.

Linea 50Hz

Linea 63Hz

Linea 80Hz

E il grafico della risposta rilevata dai 2 microfoni

Risposta Linea

Abbiamo in sostanza per il microfono posto a 15m rispettivamente 108,5dB, 107,4 e 108,8 per le frequenze selezionate, mentre il microfono sul palco rileva 120,5dB,  119,6dB, e 120,6dB. Notiamo una risposta praticamente omnidirezionale, anche se a 80Hz inizia a restringersi leggermente ai lati per la lunghezza dell array, e poi i 120dB sul palco che possono essere un problema e dare fastidio, soprattutto per eventuali feedback di microfoni vari e risonanze, a meno che non si tratti di un allestimento per un DJ set 🙂

Vediamo ora cosa cambia ruotando di 180° il subwoofer centrale, invertendo la sua fase, e lavorando un po’ con il ritardo per arrivare ad un buon compromesso tra cancellazione posteriore e pressione nella zona di ascolto, impostandolo a 2,6ms. I grafici alle frequenze già viste diventano

Gradiente 50Hz

Gradiente 63Hz

Gradiente 80Hz

Risposta Gradiente

Notiamo subito che al di sotto degli 80Hz la pressione sonora nella zona di ascolto si riduce leggermente ed i valori diventano 105,8dB, 106Db, 108,3dB, praticamente una media di 2dB in meno dagli 80Hz in giù, ma si sa che la configurazione cardioide tipicamente lascia sul campo un po’ di efficienza. Il microfono sul palco in questa configurazione rileva 109,7dB, 108,2Db e 108,4dB: si tratta di una riduzione di una media di 11dB e non è poco. Se si è alla ricerca della rimozione di un po’ di bassi su un palco potrebbe essere una soluzione interessante, nonostante la leggera perdita nella zona frontale.

Vediamo a questo punto la simulazione del Delta array, arretrando di 70cm ,ossia la profondità della cassa, il diffusore centrale: la teoria vorrebbe che si aumentasse il ritardo del centrale dai un valore pari alla profondità del diffusore stesso, ossia 2ms (=70cm) per un totale di 4,6ms, ma giocando con i valori per ottimizzare le prestazioni mi sono fermato a 3,8ms, con questi risultati.

Delta 50Hz

Delta 63Hz

Delta 80Hz

Risposta Delta

Notiamo innanzitutto una forma cardioide ancora più accentuata che nella precedente configurazione, anche se a 80Hz inizia a intravedersi un principio di comparsa di un lobo, per cui potremmo considerare questa frequenza, massimo 100Hz, come limite superiore della configurazione. Dal punto di vista della pressione sonora il microfono a 15m rileva 107,9dB, 107,1dB, 107,4dB, recuperando cosi un po’ di efficienza rispetto al gradiente in linea e ristabilendo quasi i livello dell’allineamento tradizionale. Il microfono sul palco rileva invece 106dB, 104,8dB e 106dB, che significa migliorare di una media di ulteriori 3dB la cancellazione posteriore rispetto al gradiente in linea.

Quindi la configurazione Delta garantisce migliori prestazioni rispetto al Gradiente in linea, sia come massima pressione erogabile che come cancellazione posteriore, ma purtroppo in alcuni casi potrebbe non essere realizzabile in quanto richiede ulteriore spazio disponibile rispetto al Gradiente e questo non sempre è disponibile, perchè magari lo spazio di fronte al palco scarseggia, motivo per il quale spesso non è possibile nemmeno usare ne la configurazione End-Fire ne il Gradiente classico. Se invece il palco è molto alto, tipo 1m e oltre, si potrebbe pensare ad una configurazione cardioide di tipo Stacked, descritta sommariamente in questo articolo, con la quale si possono fare anche diversi “giochini”: vedremo un approfondimento in un prossimo articolo, visto che è una configurazione molto gettonata nei concerti all’aperto, negli stadi e nelle arene.

Ricordo comunque che queste sono simulazioni, servono come spunti di partenza e come sempre per confermare l’efficacia di una soluzione o dell’altra sono necessarie le misure sul campo con gli strumenti opportuni.

in linea, End Fire, Gradiente, Cardioide Stacked

In questo articolo vediamo alcuni esempi di configurazione di Subwoofer, come si comportano ed eventuali vincoli che costringono ad optare per una configurazione piuttosto che l’altra.

Fondamentalmente abbiamo 4 tipi di configurazioni base, ed eventuali tecnicismi/evoluzioni sono tutti derivati da questi:

  • In linea, dove abbiamo 2 o più elementi affiancati, la configurazione più semplice.
  • End Fire, che prevede 2 o più elementi separati da una distanza pari ad 1/4 della lunghezza d’onda per la quale si vuole la massima cancellazione, e con il primo Subwoofer, quello più vicino al pubblico, ritardato elettronicamente del valore necessario per portarlo virtualmente alla stessa posizione di quello più vicino al palco.
  • Gradiente, disposto come nel punto precedente, ma in questo caso è il Sub più vicino al palco che viene sposato virtualmente (ritardato), ed al quale viene poi invertita la fase.
  • Cardioide Stacked, nel quale 2 o più subwoofer sono disposti uno sopra l’altro ed uno viene rivolto verso il palco, ritardato elettronicamente di un valore opportuno e poi invertito di fase.

La teoria vuole che nel momento in cui si inizia a fare prendere una determinata “direzione” alla basse frequenze si ha una leggera perdita di pressione sonora, dovuta al fatto che il tentativo di cancellazione dell’emissione posteriore provoca delle perdite anche alla somma delle emissioni che si ha nella parte anteriore, in modo più o meno evidente in base alla configurazione. In questo articolo vedremo dei risultati legati alla teoria e alla simulazione, l’esito finale ovviamente va sempre verificato con delle misurazioni, provando magari configurazioni diverse da quella scelta in prima istanza.

Subentrano spesso anche questioni logistiche, di spazio, che precludono la possibilità di usare una o l’altra configurazione e per le quali poi ci si deve “accontentare” della soluzione standard in linea, che richiede poco spazio davanti al palco ed una altezza ridotta dello stesso, anche 60cm nel caso in cui ad esempio si impieghino dei 18” sdraiati o dei doppi 18” alti poco più del Woofer stesso (RCF 9006AS, DB DVA S30, NEXO RS18 e simili). Le configurazioni End Fire e Gradiente invece richiedono più spazio oltre il palco e molto spesso questo non c’è, soprattutto in eventi molto piccoli o anche in condizioni indoor, mentre il Cardioide Stacked ha bisogno di spazio in verticale, quindi necessita approssimativamente di un palco di almeno 1m di altezza nel caso di 2 Subwoofer sovrapposti e almeno  1,5m nel caso in cui i diffusori da impilare siano 3.

Poi magari ci sono situazioni, tipo DJ set e simili, dove essere “inondati” da 120dB ed oltre dietro i Subwoofer fa solo piacere e quindi il controllo della direzionalità dei bassi non è un problema Sorriso

Vediamo ora, tramite l’ausilio del software EASE Focus 3, la simulazione del comportamento delle varie configurazioni elencate. Focus 3 usa dei modelli forniti dai vari produttori (.GLL files) per elaborare una predizione di copertura e distribuzione della pressione acustica in base configurazione adottata, ed è spesso usato per simulare eventi particolari, come concerti negli stati, arene, e simili. Per lo scopo ho usato il modello dell’ RCF SUB 8004-AS, semplicemente perché oltre ad essere un ottimo componente ne ho realizzato un “clone” delle stesse dimensioni, e quindi volume, altoparlante (LF18X401) e con una frequenza di accordo probabilmente leggermente più bassa per una maggiore estensione, in versione passiva, ognuno pilotato con un Yamaha P7000S, quindi con a disposizione ancora più dinamica rispetto all’originale in caso di necessità.

Ho considerato una piccola area di ascolto da 20m x 12m, completamente gestibile da una coppia di 18”, anche per comodità nella visualizzazione dei dati, con i diffusori posizionati a 6m (la griglia dei Sub in pratica si trova a 0m) dal fondo per lasciare spazio ad un ipotetico palco, e 2 microfoni “virtuali”, uno a –2,5m per simulare un ipotetico centro di un palco e l’altro a 12m; come impostazione del SUB 8004 è stata scelta la 90Hz Deep, frequenza che per i miei gusti è già troppo alta per un SubWoofer. Inoltre non ho simulato la configurazione L-R, con i diffusori ai lati del palco, perché come abbiamo visto qui causano grossi problemi di uniformità di copertura e richiede almeno 4 diffusori per implementare queste soluzioni; vedremo prossimamente come cercare di mitigare i problemi che sono stati descritti nell’altro articolo e ottenere comunque una buona cancellazione dell’emissione posteriore.

Iniziamo con la configurazione semplice in linea, affiancati, e vediamo cosa succede a 4 frequenze fondamentali di funzionamento a 1/3 di ottava in sequenza: 40HZ dove comunque il sub in oggetto inizia a calare, 50Hz, 63Hz, 80Hz e il “broadband” ossia su tutta la gamma riprodotta dalle 2 unità.

Affiancati 40Hz

Affiancate 50Hz

Affiancate 63Hz

Affiancate 80Hz

Affiancate BroadBand

Come si può vedere abbiamo in sostanza, come ci si aspetta, una distribuzione omnidirezionale e dalla scala cromatica si evince che la banda intorno ai 63Hx è quella di maggiore efficienza, anche perché a 80Hz inizia a farsi sentire l’effetto del filtro passa basso che si trova poco più in la.

In termini di numeri, utilizzando quindi 63Hz come riferimento abbiamo 114,3dB al microfono piazzato a 12m e 124,5dB al microfono che si trova 2,5m dietro la linea, al centro dell’ipotetico palco. Stiamo parlando di valori molto alti, calcolati sulla massima emissione possibile della coppia di Subwoofer, ma serve comunque per avere un’idea; anche ipotizzando di abbassare il livello di 6dB (4 volte), sul retro ci sarebbe in ogni caso una “spinta” notevole.

Vediamo adesso la configurazione End Fire, che prevede la disposizione di due Subwoofer uno di fronte all’altro, separati (griglie-griglia ad esempio) da una distanza pari ad 1/4 della lunghezza d’onda della frequenza centro banda nella quale si vuole raggiungere la massima cancellazione, e con il diffusore più lontano dal palco ritardato del tempo corrispondente. In questo caso, scegliendo 60Hz come riferimento abbiamo un distanziamento di 1,43m ed un ritardo di 4,16ms

I 5 grafici visti prima diventano a questo punto

EndFire 40Hz

EndFire 50Hz

EndFire 63Hz

EndFire 80Hz

EndFire BroadBand

Come si può vedere, per le caratteristiche della configurazione, a 40Hz siamo praticamente ancora nella dispersione omnidirezionale, a 50Hz si inizia ad avere una cancellazione, a 63Hz si raggiunge il massimo dell’annullamento (come da calcoli) e a 80Hz l’andamento prende la forma ipercardioide, ma comunque ancora con una buona cancellazione posteriore. Volendo fare un indagine broadband su tutta la gamma coperta dai nostri due 2 Subwoofer notiamo comunque una evidente riduzione dell’emissione posteriore.

Prendendo sempre come riferimento i 63Hz il microfono a 12m rileva questa volta 114,9db, che a tutti gli effetti è anche qualcosa in più rispetto alla linea per effetto che abbiamo un diffusore spostato in avanti di più di 1m, mentre il microfono posteriore rileva 109,8dB, circa 15dB in meno della configurazione in linea, non sono pochi…

Per quanto riguarda la configurazione gradiente invece, abbiamo la stessa disposizione della precedente, ma questa volta il subwoofer che viene ritardato è quello più vicino al palco, al quale inoltre deve essere invertita anche la fase; questo setup è quello che dovrebbe garantire la maggiore cancellazione posteriore unita, in teoria, ad una leggera perdita di efficienza sulla parte frontale. Vediamo quindi le nostre 4 frequenze di riferimento e l’analisi broadband

Gradiente 40Hz

Gradiente 50Hz

Gradiente 63Hz

Gradiente 80Hz

Gradiente BroadBand

Le immagini evidenziano un comportamento direzionale a tutte le frequenze e soprattutto nell’analisi broadband si evidenzia come questa soluzione sia quella preferita nel caso in cui la “pulizia” della zona palco sia un’esigenza molto sentita.

Prendendo come riferimento la banda dei 63Hz abbiamo che il nostro microfono a 12m rileva 114,9dB mentre quello arretrato di 2,5m segna 108,6dB, quindi un ulteriore guadagno rispetto all’ End Fire a questa frequenza.

Infine abbiamo il comportamento della configurazione Cardioide Stacked, in questo caso composta da 2 box, con quello superiore girato verso il palco, che sil piano verticale dovrebbe fornire un lobo di emissione anteriore come se fosse direzionato verso il basso, e con l’emissione posteriore ovviamente speculare e che dovrebbe fornire un’ulteriore beneficio sul palco; ecco i 5 grafici

CardioideStacked 40Hz

CardioideStacked 50Hz

CardioideStacked 63Hz

CardioideStacked 80Hz

CardioideStacked Broadband

Con i consueti microfoni abbiamo 112,3db sul palco e 113,7db nel pubblico.

Riassumendo in una tabellina le varie configurazioni abbiamo

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Da questo si vede che le 2 configurazioni End Fire e Gradiente sono quelle in grado di mantenere la maggiore efficienza di radiazione verso il publico, ma con la configurazione Gradiente che risulta essere quella più efficiente nel limitare la radiazione verso il palco, e quindi il potenziale “fastidio” ai componenti di un’eventuale band; per contro la configurazione Cardioide Stacked, a fronte di una minore efficienza globale, si comporta leggermente meglio dell’End Fire e potrebbe essere la soluzione nel caso in cui si abbia poco spazio a disposizione davanti al palco.

Ovviamente questo è il risultato di una simulazione, i risultati andrebbero sempre verificati sul campo; da questo punto di vista l’ End Fire e il Gradiente sono le più versatili perché si riesce semplicemente a passare da una all’altra cambiando i parametri del crossover elettronico, del DSP OnBoard oppure del software di gestione remota, molti dei quali (tipo RDNet di RCF) permettono il cambio grazie ad un click.

Soprattutto se sono amplificati, di marche diverse e/o con DSP diversi

Mi è capitato spesso di vedere in diversi eventi all’aperto, ed io stesso a volte ho dovuto farlo, di vedere sitauzioni  in cui per aumentare il livello di pressione sonora totale vengono disposte più coppie di diffusori affiancati, anche di marchi diversi. Sommariamente va tutto relativamente bene quando sono diffusori, identici attivi o passivi che siano, come nel mio caso che avevo 2 coppie identiche; ma cosa succede nel momento in cui afficanchiamo elementi amplificati diversi tra loro come marca o addirittura di modelli diversi?

In questo specifico caso non andrò a verificare gli effetti del “comb filtering” (filtro a pettine), sempre in agguato anche con diffusori identici a causa della distanza tra DX e SX e/o per la presenza di pareti riflettenti che complicano ulteriormente la situazione, ma piuttosto degli effetti indotti da differenti ritardi introdotti dai moduli amplificati che spesso generano situazioni “drammatiche” e irrisolvibili; della serie “ho messo 4 casse ma si sente male” o “ho messo 4 casse ma non è cambiato praticamente nulla rispetto a 2”.

Usando il setup descritto in Smaart con il mixer Behringer XR18 mi sono messo a misurare le mie due casse amplificate, fate in questo modo:

Due diffusori abbastanza differenti in tutto, dimensione del woofer, del driver, frequenza di incrocio, dispersione delle due trombe, potenza dei due moduli ed anche DSP.

Nella foto seguente vediamo la disposizione delle due casse, si intravede il microfono ad 1 metro di distanza, ad un’altezza corrispondente grossomodo ail centro di emissione dei 2 diffusori, dove il woofer e la tromba praticamente si toccano.

PRIMA

Queste sono le loro due risposte, in giallo quella con il woofer da 12” in blue quella con il woofer da 15”, con quest’ultima con un livello leggernente più alto, per compensare la differenza di potenza erogata ed arrivare al limiter grossomodo contemporaneamente

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il consistente buco intorno ai 50Hz è sicuramente dovuto a qualche riflessione strana che annulla l’emissione a quelle frequenze, dal momento che anche la fase evidenzia un andamento anomalo in quella zona.

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Un andamento abbastanza classico per dei filtri tradizionali, ed anche abbastanza uniforme tra i due diffusori, che nel caso di affiancamento lascia presumere un ottimo accoppiamento in gamma bassa e media ed un buon andamento in gamma alta.

Dopo avere abbasato di 6dB il segnale di uscita del mixer, per fare in modo che la risposta globale si sovrapponga ( 2 casse che emettono insieme causano un incremento di 6dB), rifaccio la misura con entrambe i diffusori in funzione, e questo è il risultato (traccia bianca)

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Un po’ un disastro… Abbiamo una buona somma fino a 1000Hz e a parte un po’ di irregolarità a partire da 1500Hz a circa 6300Hz abbiamo un buco consistente, che riguarda anche le zone limitrofe sopra e sotto, come se fosse l’intervento di un equalizzatore a quella frequenza con un Q abbastanza basso; l’effetto visivo è come se in quella zona con centro a 6300 ci fosse un’inversione di fase.

A questo punto vado a ricontrollare i dati di Smmart e vedo che la misura ha riportato 5,52ms di ritardo per la cassa con il 15” e 5,44ms per quella con il 12”; 0,08ms di differenza, praticamente 2,75cm, come se il diffusore da 15” fosse arretrato di quella distanza rispetto a quella da 12”.

Una distanza praticamente irrisoria, ma in campo audio non è cosi piccola come sembra; facendo un rapido calcolo troviamo infatti che a 6300Hz la lunghezza d’onda  è 5,46cm (344m/6300Hz),  praticamente poco meno del doppio dei 2,75cm che sono stati rilevati dal software. Quindi i 2,75cm corrispondono ad un inversione di fase di 180° a quella frequenza.

A questo punto “ritardo” il segnale della cassa da 12” di 0,08ms (2,75cm) e rifaccio la misura…

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Adesso ci siamo, con l’aggiunte di quel piccolo ritardo abbiamo ottenuto una sovrapposizione molto buona, quasi perfetta, considerando comunque che stiamo parlando di 2 diffusori completamente differenti.

Incuriosito provo a girare le casse di circa 30° fuori asse rispetto al microfono, come nella figura seguente e rifaccio le misura

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La risposta iniza a calare a partire da circa 4500Hz per poi rimanere abbastanza costante a circa –6dB a partire da circa 6500Hz, ma in questo caso siamo al limite della dispersione orizzontale di almeno una delle 2 trombe, quindi tutto nella norma.

Fin qui tutto bene, nonostante siano due casse totalmente diverse il fatto di usare la stessa tipologia di filtri e DSP molto simili i risultati sono molto buoni.

Vediamo ora cosa succede con 2 casse totalmente diverse, confrontando la mia con il woofer da 12” ed una RCF ART712-A MK4. che tra l’altro adotta fiiltri con tecnologia FIR Phase a fase costante

20210202_183539 (2)

Le risposte singole sono di nuovo abbastanza sovrapponibili (gialla mia, blu RCF), sebbene l’ RCF evidenzi un po’ meno mediobassi (anche rispetto alla 715), cosa percepibile anche ad orecchio.

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Aquesto punto riprendo la somma delle 2 risposte con le modalità viste prima e… disatro.

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Praticamente problemi su tutto lo spettro di frequenze, inoltre si evidenzia un buco pesante a 73Hz che intacca anche le basse frequenze limitrofe: ad orecchio uno strazio; anche il grafico della “coerenza”, la traccia rossa in alto, è molto irregolare.

Andando a verificare i dati abbiamo sempre 5,44ms per la mia e 7,5ms di ritardo per l’RCF, 2,06ms di differenza; a questo punto ho provato a giocare un po’ con iritardi sulla mia cassa da 12” e l’unico che ristabilisce un minimo di decenza è un ritardo nell’intorno del doppio di quello rilevato dal software, pari praticamente ad un onda completa nella zona del buco a bassa frequenza.

Questa è la risposta con 4,12ms di ritardo

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In questo modo abbimo sistemato la parte bassa , ma rimangono comunque tantissime irregolarità su tutta la gamma, e quindi una scarsa attitudine a lavorare insieme per queste 2 casse.