Ottimizzazione del driver a linea di trasmissione o bending wave converter

L’altoparlante originale costruito da Walsh era molto poco efficiente e fragile al contempo. German Physiks, utilizzando materiali e procedure non disponibili in quell’epoca, ha enormemente incrementato l’efficienza dell’altoparlante: grazie ad un magnete particolarmente potente e ad una bobina a corsa lunga, il DDD ha efficienza simile a quella di altoparlanti a cono di dimensioni equiparabili. Molto importante è pure la linearità del flusso magnetico, anch’essa particolarmente elevata.Analizziamo quindi con attenzione il modo di funzionamento del driver proprietario. Cominciamo col dire che, al di là dell’apparenza, simile a quella di un altoparlante dinamico tradizionale posizionato in verticale, il modo in cui il DDD mette in movimento l’aria è sostanzialmente differente e varia al variare delle frequenze riprodotte. In pratica ci troviamo al cospetto di un larga banda che, per caratteristiche di funzionamento meccaniche, segue 4 diversi criteri per generare il suono. Alle frequenze più basse il suo modo di funzionamento può essere spiegato basandosi sui criteri di risonanza di Thiele/Small. Subito al di sopra il driver DDD opera in maniera simile a quella di un altoparlante a cono tradizionale, comprimendo l’aria con movimento pistonico, generando cioè le classiche onde acustiche di un woofer o midrange. Tutto questo fino alla cosiddetta Frequenza di Coincidenza, ossia quella frequenza a partire dalla quale il comportamento del cono passa progressivamente da quello classico a pistone a quello di un “bending wave radiator”, ossia un “radiatore ad onde di piegamento”. Vi è una ampia banda di frequenze ove il movimento a pistone e quello di flessione del cono si sovrappongono (overlap in inglese), fino a che il movimento di flessione si sostituisce del tutto a quello classico “piston-driver”. Da questo momento le onde di flessione generate nel materiale del cono aumentano la loro velocità di propagazione al crescere della frequenza riprodotta. Questo però fino al raggiungimento del quarto ed ultimo dei modi di funzionamento del DDD, ossia fino alla cosiddetta “Frequenza Dipolo”. Da questa frequenza in poi il DDD genera suono sfruttando il break-up della membrana.

E’ evidente che solo con un’attenta scelta della forma del cono, dello spessore della membrana e delle caratteristiche elastiche della medesima, oltre che del suo peso, è possibile bilanciare le quattro diverse frequenze di banda.

I due ultimi criteri sono quelli che rendono il DDD assolutamente unico nel panorama elettroacustico mondiale e che meritano di essere meglio analizzati nel loro funzionamento. Vediamoli insieme. La membrana del cono, spessa 0,025 mm nel caso del titanio e 0,15 nel caso del carbonio, viene eccitata dalla bobina mobile alla sua sommità superiore mentre risulta ancorata in maniera semi rigida da una membrana in gomma al suo estremo inferiore (quello dal diametro maggiore e che si apre verso il basso). La flessibilità della membrana fa sì che, nel momento in cui la bobina eccita la sommità superiore del cono, si creino dall’alto verso il basso delle “onde di flessione” che mettono in vibrazione l’aria tutto intorno alla superficie della membrana (v. fig. 2). Le onde si dipartono dalla superficie della membrana radialmente ma l’angolazione delle stesse varia al variare della frequenza, diventando l’angolo progressivamente più acuto.

La forza del magnete in ferrite utilizzato nel DDD è notevole e corrisponde a 1.2 Tesla.

Una simile potenza impiegata su un equipaggio mobile di poco superiore ai 2 grammi è una delle ragioni per cui il DDD ha una risposta ai transienti fulminante e fa sì che la sua efficienza sia del tutto paragonabile a quella di un altoparlante a cono tradizionale. 

Uno dei problemi principali che i progettisti hanno dovuto affrontare è quello del cosiddetto “ringing”. Quando la lunghezza d’onda delle onde che si propagano nel cono è più ampia della lunghezza del cono stesso, il problema è evitato all’origine. Diversamente avviene però alle frequenze superiori, ove la lunghezza d’onda è più corta dell’altezza del cono stesso, facendo sì che le onde medesime “rimbalzino” sull’estremità inferiore. In tal modo l’energia si disperderà a poco a poco riflettendosi più volte così come avviene quando si getta un sasso in uno stagno. 

L’approccio del progettista Peter Dicks per risolvere questo problema è stato duplice: anzitutto egli ha scoperto che il DDD esibisce una velocità di propagazione delle onde che è crescente al crescere della frequenza, riuscendo così a determinare la cosiddetta “Frequenza di Coincidenza”, ossia quella frequenza alla quale la velocità di propagazione dell’onda nel cono raggiunge la velocità del suono nell’aria. Le onde acustiche si dipartono dalla superficie della membrana con un angolo variabile, prossimo a zero intorno a tale frequenza, per poi arrivare a circa 90° man mano che le frequenze salgono.

Il secondo metodo per minimizzare il ringing è stato quello di sviluppare un sistema di smorzamento meccanico specifico per le dimensioni e la cedevolezza proprie della membrana del DDD. In effetti la cedevolezza della membrana è minima alla sua sommità e diventa maggiore mano a mano che ci si approssima alla base (il lato aperto). Ciò fa sì che la velocità dell’onda nel cono sia direttamente proporzionale alla frequenza ed inversamente proporzionale alla distanza dalla sommità del cono.

La frequenza cosiddetta Dipolo viene raggiunta a 6.000 Hz per il DDD in titanio e a 4.000 Hz per quello in carbonio. A partire da tali frequenze il DDD lavora in “break-up”, per così dire, essendo le lunghezze d’onda delle onde che si irradiano dal cono sempre più corte della lunghezza del cono stesso. Da questa frequenza a salire il controllo del ringing assume un’importanza basilare e German Physiks afferma di minimizzarlo efficacemente fino a 24.000 Hz grazie ad un metodo che tuttavia costituisce un segreto aziendale. 

La conseguenza pratica di tale velocità di propagazione dipendente dalla frequenza è che la lunghezza d’onda rimane pressoché costante a prescindere dalla frequenza, dal momento che aumentando la velocità di propagazione dell’onda aumenta pure la distanza percorsa per ogni ciclo, abbastanza da compensare il decremento in lunghezza dell’onda stessa con l’aumentare della frequenza. 

Perché tale caratteristica è così desiderabile ? Anzitutto perché la lunghezza d’onda tende a rimanere più grande dell’altezza del cono per molte ottave, prevenendo le riflessioni e le conseguenti anomalie di fase. In tal modo quasi la metà delle frequenze udibili sono riprodotte dal DDD come frazioni di lunghezza d’onda e, come la fisica acustica insegna, frazioni di lunghezza d’onda non possono essere riflesse (creando ringing). 

Il secondo beneficio è meno ovvio ma altrettanto importante. Poiché col DDD le lunghezze d’onda sono sostanzialmente uguali su un ampio spettro della risposta in frequenza, il movimento della membrana non produce quasi alcuna distorsione Doppler, una rovina per i diffusori tradizionali. Così le frequenze superiori non si sovrappongono a quelle più basse, come accadrebbe se avessero una lunghezza d’onda minore. In altri termini, non vi è modo di generare effetto Doppler.

Vantaggi ulteriori 

Un altoparlante a linea di trasmissione come il DDD possiede un ulteriore vantaggio, frutto delle sue caratteristiche di funzionamento: rappresenta infatti una sorgente puntiforme pressoché ideale, che diffonde energia acustica in maniera omnidirezionale. 

Il DDD irradia il suono secondo un modello sferico perfettamente uniforme. Risposta in fase ed in frequenza sono assolutamente uniformi da tutti gli angoli d’ascolto, cosa che non si può dire né degli altoparlanti a cono tradizionali né dei dipoli elettrostatici o a nastro. 

Un altoparlante omnidirezionale presenta quindi numerosi vantaggi: anzitutto, la finestra all’interno della quale si può apprezzare l’immagine stereo è considerevolmente ampliata. Secondo, il comportamento acustico del diffusore risulta molto più vicino a quello degli strumenti musicali che deve riprodurre: la maggior parte di questi irradia infatti onde acustiche in maniera omnidirezionale. Terzo, il risultato acustico sarà più facilmente prevedibile a prescindere dalla stanza, poichè il suono riflesso si sposa timbricamente a quello diretto. Da ultimo, il suono di un altoparlante omnidirezionale ha caratteristiche di decadimento più vicine al riverbero di una grande sala, in contrapposizione al suono estremamente direzionale di un altoparlante convenzionale. Volendo riassumere e semplificare il tutto, si può dire che il suono viene riprodotto con una tale naturalezza timbrica, dinamica e spaziale da illuderci di stare ascoltando un evento live. 

Perché il DDD è così rivoluzionario ? 

Rispetto agli altri altoparlanti a linea di trasmissione (Walsh, Manger, Jordan Module), il DDD risulta saldamente ancorato ad un estremo e flette per il movimento impressogli dalla bobina mobile, invece che essere spinto avanti e indietro. Il suono si propaga ad angolo retto rispetto alla forma del cono, invece che in modo parallelo al movimento della bobina mobile. Il diaframma stesso ha un altissimo rapporto resistenza/massa e tuttavia, grazie al fatto che è molto sottile e che la sua massa mobile è particolarmente bassa, bassa è anche la sua resistenza alla flessione. Di conseguenza la membrana viene eccitata secondo movimenti di flessione con grande facilità.

Senza entrare nel merito della fisica della propagazione delle onde attraverso una superficie piatta, possiamo dire che mentre tale superficie (la membrana) viene piegata dall’attuatore, questo vede soltanto un minimo incremento della sua massa dovuto alla membrana che mette in movimento. Più che dalla massa della membrana, il carico acustico dipende perciò dalla resistenza che l’aria esercita sulla superficie del cono stesso nel momento in cui viene flesso ed in secondo ordine dalla resistenza della membrana stessa. In altri termini, la bobina mobile crea delle onde di flessione attraverso la membrana e questa a propria volta mette in eccitazione le molecole d’aria intorno ad essa. Non vi è quasi nessuna inerzia da superare e così vi è una trasformazione sostanzialmente diretta del movimento degli elettroni del segnale audio in movimento delle molecole d’aria nell’ambiente d’ascolto.

In pratica il comportamento acustico del DDD è molto più vicino al principio di funzionamento di un diffusore elettrostatico che a quello di un altoparlante a cono tradizionale, a cui si potrebbe essere tentati di associarlo basandosi sull’aspetto esteriore. La massa mobile del DDD è circa 2 grammi, simile perciò a quella di un tweeter, mentre la quantità d’aria spostata è grossomodo equivalente a quella di un woofer da 16 cm.

La combinazione data da notevole capacità di spostare aria, bassa massa ed elevata accelerazione permette all’altoparlante di funzionare in modo lineare su un ampio spettro di frequenze, quasi tutto quello udibile, oltre ad avere un’eccezionale risposta all’impulso e una risposta in fase piatta. In altre parole, la maggior parte delle limitazioni degli altoparlanti tradizionali risulta superata. 

Struttura del cabinet e crossover 

Come per i diffusori tradizionali, il DDD necessita di un cabinet che contenga l’onda acustica posteriore. Ad eccezione del modello Unicorn, caricato a tromba, e della serie Troubadour, in tutti gli altri casi il DDD è abbinato ad uno o più woofer che completano la risposta verso il basso. 

Non è un mistero, e le misure lo confermano, che il cabinet influenza in maniera determinante la qualità del suono riprodotto. Cabinet non perfettamente sordi possono compromettere pesantemente il realismo della riproduzione diminuendo il livello di risoluzione, a causa dell’energia re-irradiata attraverso le pareti. Per minimizzare tutto ciò, German Physiks utilizza un materiale originariamente sviluppato per scopi militari, chiamato Hawaphon. Questo è costituito da una lastra in polimero contenente una matrice di piccole celle, ognuna riempita da una moltitudine di piccoli pallini d’acciaio. Oltre ad aumentare la massa del cabinet, abbassando la frequenza di risonanza, i pallini d’acciaio, muovendosi l’uno contro l’altro, tendono a trasformare l’energia meccanica che li raggiunge in calore. La loro efficacia è tale da consentire un’attenuazione a larga banda di oltre 50 dB. Le pareti dei cabinet trattate con tale materiale generano perciò un’energia acustica quasi nulla. 

In opzione è possibile ottenere il cabinet con una doppia laminatura in vera fibra di carbonio intrecciata, legata saldamente alla base in mdf. Questo, unitamente all’Hawaphon, permette di raggiungere un livello di soppressione delle vibrazioni del cabinet ineguagliato. Costruire dei cabinet in vera fibra di carbonio è molto dispendioso ma l’incremento in termini di prestazioni non è piccolo. 

La scelta della componentistica per i crossover viene effettuata da German Physiks non in base al costo della stessa, ma unicamente in base alle prestazioni strumentali e soniche. I crossover vengono disegnati con un software proprietario creato dalla casa stessa grazie alla esperienza accumulata in molti anni, sviluppando sia i modelli propri che agendo per committenti esterni. 

Conclusioni 

Tutti i diffusori German Physiks utilizzano il medesimo driver DDD in una delle due versioni (titanio o carbonio) e sono capaci di un grado di risoluzione ampiamente superiore a quello degli altoparlanti tradizionali. Tutti sono muniti di cabinet estremamente smorzati e splendidamente rifiniti ed utilizzano componentistica crossover della qualità più elevata. Dove i vari modelli differiscono è nel numero di driver DDD utilizzati per ciascun cabinet, nella tipologia degli altoparlanti subwoofer e nella complessità della rete di crossover. 

I modelli più grandi raggiungono livelli di pressione acustica e dinamica maggiori grazie alla maggior superficie radiante di DDD e subwoofer, oltre che per il maggior litraggio dei cabinet. In conseguenza degli elevati costi di produzione dei driver utilizzati, salire nella scala dei modelli non può che essere costoso ma, per coloro che ambiscono al meglio, nient’altro risulterà accettabile.