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.

In questo articolo vediamo come usare il software di misura Smaart con il mixer Behringer XR18, senza ricorrere ad ulteriori schede audio; la stesso principio può essere applicato anche alla versione X18 e X32, cosi come ad esempio ai modelli Midas MR18 e M32, con i quali fondamentalmente condivide il principio di funzionamento (Midas e Behringer e molti altri fanno parte della holding Music Tribe, fondata da Uli Behringer) .

Grazie all’ingresso USB il Behringer XR18 può essere usato sia come un registratore a 16 tracce oppure come una scheda audio 8+8, 8 ingressi e 8 uscite; ed è proprio questa caratteristica che può essere sfruttata per configurare Smaart e misurare la “transfer function” di un diffusore (risposta + fase), oppure per allineare SUB e satelliti, SUB nelle varie configurazioni (End- Fire, Gradiente, Cardioide) e attività simili.

Smaart, attualmente alla versione V8, è un software di analisi FFT multicanale universalmente impiegato in campo audio professionale da diversi anni, dal costo di circa 1000$, che successivamente è stato affiancato da Smart DI in versione a soli 2 canali; nel caso in cui non sia necessario misurare la risposta in più punti, ad esempio fronte e retro di un subwoofer cardiode, offre le stesse funzionalità ad un costo decisamente inferione, 600$, differenza non da poco nel caso di impiego a livello hobbystico/dilettantistico. Sono comunque disponibili le versioni demo dei due software, ed in questo periodo di emergenza sanitaria la valutazione è stato estesa a 90 giorni rispetto ai canonici 30.

Mi fa estremamente piacere inoltre riportare che RCF nella sua recente versione 4.0 del software RDNet, per la gestione dei diffusori che lo supportano, ha introdotto la stessa funzionalità e per di più in modo del tutto gratuito, è sufficiente registrarsi sul sito per procedere al download e all’installazione del software; in un prossimo articolo vedremo anche come usare RDNet per ottenere gli stessi risultati.

Fatta questa introduzione veniamo alla parte pratica dell’articolo iniziando ad installare tutto quello che ci serve:

Una volta completata l’installazione passiamo alla configurazione iniziando da Smaart, che tra l’altro essendo in versione demo non permette di salvare i settaggi e ad ogni apertura del programma si riparte da 0

All’apertura ci viene chiesto di configurare Input e Output: questo il dettaglio dell’ Input con selezionati i canali 1 e 2

Per comodità sull’ Ouput ho messo i canali 15 e 16, ma può essere usato qualsiasi altro canale; oltre all’ingresso AUX dell’ XR18 ho al massimo 10/12 canali usati, così in caso di necessità mi posso tenere salvata la configurazione.

Fatto questo bisogna passare sulla pagina “Measurement Config” e creare una nuova configurazione cliccando sul pulsante “New TF Measurement”

Diamo un nome e poi OK e di nuovo OK per chiudere il configuratore

Sulla schermata principale poi bisogna cliccare sul pulsante “Transfer” per arrivare alla schermata che ci serve per le misure

L’ultima configurazione necessaria su Smaart a questo punto è quella del generatore; cliccando su “Signal Generator” si apre la relativa finestra e qui io ho impostato il livello di segnale a -15dB e abilitato anche l’uscita “Aux” tramite il canale 16, cosi da ritrovarmi lo stesso segnale sulle uscite L e R del mixer.

Passando al Behringer XR18 e al suo software partiamo dal canale 14 al quale ho deciso di collegare il microfono Behringer ECM8000, configurato con un guadagno di +30dB ed il Phantom Power +48V acceso; nell’immagine si vede anche il livello del canale 15 impostato a 0dB (Main out di Smaart) e il master a -8dB, ma quest’ultimo è arbitrario e dipende dal volume globale

Il canale 15, che ricordiamo essere il “Master” di Smaart, deve essere configurato per ricevere il segnale dall’ingresso USB e non da quello analogico, in questo modo

Adesso dobbiamo fare in modo di rimandare a Smaart i 2 segnali, quello del CH14 del microfono che rappresenta la “misura” e quello che arriva dal master sul CH15, che oltre ad andare ad alimentare le casse deve tornare come “riferimento”; per questo ci fanno comodo le uscite BUS dell’ XR18 che però in questo caso devono essere dirottate ai canali USB Send del mixer, come evidenziato nelle prossime 3 immagini.

Configurazione degli USB Send per mandare il BUS1 e il BUS2 agli ingressi 1 e 2 configurati in Smaart

Dalla finestra principale di X-Air Edit cliccando in alto a destra su In/Out e poi su USB Send dobbiamo configurare BUS1 e BUS2 per andare su USB 1 e USB 2.

A questo punto è chiudiamo la finestra In/Out ed è tutto pronto per potere catturare le nostre misure, l’unica cosa che conviene fare prima di procedere è tarare il segnale di riferimento in Smaart, per evitare che sia troppo basso o troppo alto. Per fare questo bisogna accendere il generatore di segnale e verificare che il segnale di riferimento abbiamo un valore opportuno, come nell’immagine seguente, dove siamo appena al limite della zona gialla per il riferimento (R); in caso di necessità si può agire o sul livello del generatore oppure sui livelli del mixer. Successivamente si dovrà regolare il livello del segnale in arrivo dal microfono (M) per essere molto simile al riferimento e avere un grafico a cavallo dello 0dB

Di seguito un immagine di alcune misure fatte in ambiente su 3 diversi diffusori: RCF ART-715 MK4 (Giallo), Yamaha DSR 115 (Rosso) e la mia cassa con 18Sound 15ND930 + RCF ND840 su tromba HF94 e Powersoft Litemod (Verde).