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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

image

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.

…e quando sono molti vanno “curvati” elettronicamente

Mi capita spesso, girando tra piazze e locali, di vedere band di vario genere e orchestre piazzare i subwoofer ai lati del palco, a volte li trovo distanziati in modo uniforme a coprire tutta la lunghezza, mentre raramente li trovo raggruppati al centro del palco stesso; già la vicinanza dei muri genera effetti deleteri, se poi ci aggiungiamo un posizionamento non corretto possono generarsi dei veri e propri disastri.

Vediamo adesso alcune configurazioni ed i loro comportamenti, tenendo come riferimento un passa alto del 4° ordine a 30Hz come protezione da eccessive escursioni ed un filtro a 100Hz sempre del 4° ordine (24dB/oct); configurazione abastanza diffusa per dei 18″.

1. 2 subwoofer ai lati del palco (molto diffusa, con anche 2 o 3 per lato)

Supponiamo un piccolo palco di 5m, e con una largheza di 60cm tipica di un subwofer da 18″ ci ritroveremo con i centri dei due altoparlanti a circa 5,6m uno dall’altro, che per comodità arrotondiamo a 6m, come nella figura

Studio_20190820_115813

Le X su un arco di 30° rappresentano una serie di microfoni piazzati per rilevare la risposta in frequenza.

Risultato? Un disastro…

La risposta rilevata dai microfoni diventa

Studio_20190820_120025

Giusto per fare un esempio, se ci trovassimo spostati di circa 20° rispetto al centro del palco ad una distanza di 15m avremmo un grosso buco localizato a circa 85Hz che è una zona molto energica.

Per dare una maggiore idea del “danno” ecco il grafico della dispersione a 80Hz

Studio_20190820_115915.png

Tra i 10m e i 15m c’è un ampia zona praticamente morta;il grafico polare alle varie frequenze che ci interessano diventa una cosa simile, con le varie frequenze che hanno i loro buchi ad angolazioni diverse, tutte nell’ordine di 12dB e più

Studio_20190820_120140.png

2. 4 subwoofer distanziati in modo uniforme a coprire la larghezza del palco (della serie te lo risolvo io il problema…)

In questo caso abbiamo 4 subwoofer distanziati 2m uno dall’altro in modo da coprire tutta la larghezza del palco; in pratica vengono aggiunti 2 sub centrali per cercare di rendere piu uniforme il fronte sonoro.

Studio_20190820_132006

In questo caso andiamo un po’ meglio rispetto a prima

Studio_20190820_132158.png

Ma tra i 25° e i 30° perdiamo tra i 9dB e i 15dB a 80Hz; anche il grafico della dispersione a 80Hz mostra ancora buchi “pesanti”

Studio_20190820_132109

Rispetto alla configurazione precedente abbiamo almeno il vantaggio di una più rapida attenuazione ai lati del palco, come conferma anche il grafico polare.

Studio_20190820_132249

3. Come il precedente ma con un po’ di ritardo applicato ai 2 più esterni

In questo caso la disposizione rimane come la precedente ma i due subwoofer piu esterni vengono ritardati di 2ms, molto semplice da fare con un crossover elettronico oppure dal pannello posteriore di molti box amplificati di attuale produzione.

La risposta in frequenza diventa

Studio_20190820_175349

Un ottimo passo in avanti rispetto alle 2 configurazioni viste sopra

La dispersione a 80Hz è un’ulteriore conferma

Studio_20190820_175443

E il grafico polare alle varie frequenze

Studio_20190820_175528

Ma se metto i 4 sub al centro del palco uno appiccicato all’altro?

4. 4 subwoofer affiancati

Supponiamo di predere i nostri 4 sub e unirli al centro del palco, togliendo anche il ritardo di 2ms visto prima.

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La risposta in frequenza diventa praticamente perfetta

Studio_20190820_181058

E anche il grafico della dispersione a 80Hz non è affatto male

Studio_20190820_181158

Idem il diagramma polare alle varie frequenze

Studio_20190820_181242

Se aggiungiamo i 2ms di ritardo visti prima abbiamo un ulteriore miglioramento che porta quasi alla perfezione.

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Il ritardo progressivo diventa poi obbligatorio se il numero di subwoofer affiancati è pari a 6 o piu; senza fare tanti calcoli vediamo cosa succede a 80Hz con tutti e 6 i box allineati, abbastanza bruttina

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e con la coppia mediana ritardata di 1ms e quella più esterna di 3ms, grafico molto migliore.

Studio_20190820_182943

Quindi sebbene i grafici visti fino a qui rappresentino una situazione ideale (no riflessioni, ecc), con quella reale che sicuramente è peggio possiamo comunque dire che:

  • È sempre meglio mettere i subwoofer allineati al centro del palco
  • Fino a quando sono al massimo 4 ritardare i piu esterni è una finezza
  • Oltre 4 diventa mandatorio impostare dei ritardi progressivi
  • Evitare il più metterli distanziati di 1,5m/2m uno dall’altro
  • Evitare di metterli ai lati del palco

C’è chi pensa che metendoli ai lati diano meno fastidio a chi c’è sul palco, non e vero; per ridurre la quantità di bassi sul palco, e anche per ridurre le riflssioni quando si ha dietro un muro, è necessaria una configurazione cardioide (che vedremo in seguito).