Sensibilità ed efficienza degli altoparlanti

Due termini diffusi ma ... confusi

Trattando di altoparlanti, due dei vocaboli nei quali ci si imbatte, volenti o nolenti, sono la sensibilità e l'efficenza.
Questi due termini, pur essendo legati fra loro, hanno significati diversi, ed è bene conoscerli per evitare di incorrere in grossolani errori di valutazione.

SENSIBILITÀ

Per un trasduttore elettroacustico il valore di sensibilità è rappresentato dal livello di pressione sonora emessa a una certa distanza con un determinato valore di tensione elettrica ai propri morsetti.
La pressione sonora, o più precisamente il livello di pressione sonora, si indica in dB Spl (decibel sound pressure level) ed esprime una pressione acustica misurata rispetto alla pressione di riferimento di 20 uP (micropascal). L'unità di misura comunemente impiegata è il dB (un'unità di misura logaritmica), perchè l'intensità sonora percepita dall'orecchio umano ha un andamento proporzionale al logaritmo della pressione sonora.

La tensione efficace (rms) ai capi dell'altoparlante si indica in V (Volt).

La distanza di rilevazione della pressione sonora è convenzionalmente fissata a 1 m dall'altoparlante. L’altoparlante, o il sistema di altoparlanti può anche essere misurato ad una distanza diversa ma l’SPL va comunque riferito a un metro. Per esempio, se la misura vine fatta a 2 metri, all’SPL vengono aggiunti 6 dB (quelli dovuto all’aumento della distanza).

La misurazione della sensibilità è particolarmente importante, perchè la quasi totalità degli amplificatori in circolazione sono assimilabili a dei generatori di tensione dotati di bassissima impedenza d'uscita. Questi apparecchi, entro certi limiti, riescono a matenere costante il valore di tensione in uscita indipendentemente dal carico applicato. In questo modo, la risposta acustica non viene influenzata dall'andamento dell'impedenza dell'altoparlante.
Amplificatori con elevata impedenza d'uscita (la quasi totalità dei valvolari), invece, non riescono a mantenere costante la tensione al variare del carico. La conseguenza è che la risposta acustica tenede a seguire l'andamento dell'impedenza dell'altoparlante. Nel caso di sistemi multivia, questo fenomeno è evidente anche nelle zone vicine agli incroci, dove l'impedenza può assumere valori abbastanza elevati.

Gli altoparlanti elettrodinaminci non presentano mai un'impedenza costante al variare della frequenza ed è quindi comprensibile come la condizione più idonea per eseguire misure di sensibilità, che possano fornire dei risultati confrontabili fra vari modelli, sia la rilevazione a tensione costante. Del resto, come già accennato, gli amplificatori per alta fedeltà sono equiparabili a generatori di tensione.
Per convenzione, la misura di sensibilità dovrebbe essere effettuata fornendo al carico la potenza di 1 W (1 W alla minima impedenza del trasduttore, secondo lo standard AES), e misurando il livello di pressione acustica a 1 m per tutta la gamma di funzionamento, ma le considerazioni precedenti portano a concludere che mantenere una potenza costante su un carico variabile è praticamente impossibile.

La potenza infatti è espressa dalla formula: P= (V^2)/R [W]

dove V è la tensione applicata e R è la resistenza di carico. 
È evidente che al variare del carico, come succede in un altoparlante, sarebbe necessario correggere frequenza per frequenza la tensione di alimentazione, per mantenere la potenza costante. Operazione impraticabile.
La potenza è un parametro dipendente dal carico, cosa che rende poco sensato il suo utilizzo per eseguire misure di sensibilità direttamente confrontabili fra altoparlanti con impedenze diverse. 
Per svincolarci da questa limitazione è necessario impiegare  una grandezza elettrica "indipendente", proprio come la tensione. Un buon amplificatore transistorizzato, sostanzialmente insensibile alle variazioni del carico, è dunque perfettamente in grado di pilotare l'altoparlante per eseguire questo tipo di misura.
Si decide dunque di impiegare il valore efficace di 2.83V che, guarda caso, rappresenta proprio 1W su un carico di 8 Ohm.
Ricordiamo che 8 Ohm e 4 Ohm sono le impedenze nominali standard per la maggior parte degli altoparlanti Hi-Fi presenti sul mercato. Meno frequentemente si trovano altoparlanti da 6 Ohm, mentre quelli da 16 Ohm sono piuttosto rari, almeno in ambito HiFi.
Come l'impedenza, anche il livello acustico emesso da un altoparlante non è costante a tutte le frequenze della banda audio*, ma cambia in base ai parametri costruttivi (la risposta di un woofer è ben diversa da quella di un tweeter) e alla modalità di misura (un altoparlante misurato in cassa presenta una risposta differente da uno misurato su pannello infinito).
Per rilevare la sensibilità di un altoparlante è dunque indispensabile individuare i suoi limiti operativi (la gamma di frequenze in cui esso presenta la maggior linearità o risposta piatta), entro i quali stabiliremo un valore medio del livello di pressione sonora.
Inoltre è necessario conoscere esattamente le condizioni di misura.
Noi abbiamo scelto di misurare tutti gli altoparlanti, cercando di approssimare le condizioni di semispazio, montandoli su un pannello standardizzato (IEC 268-5), con una tensione ai morsetti di 2.83 V. Normalmente la rilevazione viene eseguita a 0.5 m e il livello è poi riportato alla distanza di 1 m sottraendo 6 dB Spl (si veda anche "Archivio altoparlanti"). Poichè anche il pannello standard introduce delle sensibili alterazioni nella misura, abbiamo successivamente ampliato le dimensioni per avvicinarci ulteriormente alle condizioni ideali di semispazio.
Come accennato, la gamma utile entro la quale definiamo il valore medio della sensibilità varia in base alla zona di maggiore "piattezza" d'emissione dell'altoparlante. La figura che segue mostra chiaramente quale sia la regione più "piatta" di funzionamento per un altoparlante. Si nota la regione di "roll-on" in bassa frequenza, la zona "piatta" che copre tutta la gamma media e medio-alta, e la regione degli acuti in cui cominciano a manifestarsi fenomeni di break-up (anche se molto contenuti) del diaframma vibrante.
Da segnalare che gli standard di misura AES e IEC valutano la zona lineare (e non solo quella) in modo differente.

Ogni tipo di altoparlante ha una sua zona lineare, che rappresenta la parte utile della risposta. Per essere precisi, oltre alla rilevazione in asse sarebbe bene considerare anche la prestazione fuori asse (almeno a 30°). Indicativamente non commettiamo grossi errori se consideriamo una suddivisione del genere:
- Woofer: 200 - 2000 Hz
- Mid-woofer: 200 - 4000 Hz
- Mid range: 400 - 6000 Hz
-Tweeter: 2000 - 20000 Hz
- Full-range: 200 - 6000 Hz
- Diffusore completo: 200 - 10000 Hz

EFFICIENZA 

L'efficienza è il rendimento dell'altoparlante, dunque il rapporto fra la potenza acustica (attiva) resa e la potenza elettrica (attiva) assorbita: η= (Pa/Pe)*100

dove η (eta) è il rendimento espresso in parti per cento (%), Pa è la potenza acustica in W e Pe è la potenza elettrica assorbita dall'altoparlante, sempre in W. Il rendimento è un numero adimensionale, in quanto è un rapporto fra due grandezze omogenee.
Il termine efficienza, in realtà, in campo audio assume un significato un po' diverso, e talvolta viene impropriamente scambiato con la sensibilità (e viceversa).
Si tratta comunque di un dato fondamentale per dimensionare correttamente la sezione di amplificazione.
Abbiamo deciso di usare i 2.83 V come unico valore di tensione per le nostre rilevazioni di sensibilità.
Ipotizziamo di avere tre altoparlanti che hanno tutti una sensibilità 90dB, ma tre diverse impedenze nominali (facciamo finta che siano di valore costante, cosa bel lontana dalla realtà).
Alimentando a tensione fissa gli altoparlanti otteniamo i seguenti valori di potenza e di corrente assorbita:

A parità di Spl, l'altoparlante con minore impedenza richiede una maggiore corrente da parte dell'amplificatore e dissipa una potenza più elevata. In questo caso, l'altoparlante con impedenza maggiore è il più efficiente.
È utile ricordare che molti costruttori forniscono il valore di sensibilità eseguendo le misure con un livello di tensione equivalente a 1 W. Tale valore, comunemente definito efficienza, può creare un po' di confusione. In realtà questa grandezza, nella letteratura anglosassone, è chiamata “efficienza di riferimento” (Reference Efficiency).
La  tabella seguente, mostra invece che a parità di potenza (potenza costante di 1 W) l'altoparlante con impedenza più alta emette una Spl di 93 dB (raddoppiando la potenza abbiamo un incremento di 3 dB Spl), mentre l'altoparlante con impedenza minore ha una "efficienza di riferimento" di soli 87 dB.

Naturalmente, va ricordato che stiamo semplificando un po' le cose riferendoci a casi ideali, dove l'impedenza è resistiva e perfettamente costante.
A ogni modo, è abbastanza evidente che basarsi sulla sola sensibilità, per dimensionare la sezione di amplificazione di un sistema di altoparlanti, può condurre a risultati inesatti, poichè non si tiene conto della potenza necessaria per raggiungere il livello di pressione sonora desiderato.
Ai fini del dimensionamento della potenza da installare, dunque, è necessario calcolare la Spl computando anche l'impedenza del trasduttore (o sistema di altoparlanti).
Si introduce allora il termine di "Sensibilità ponderata" **, che calcola l'efficienza 1W/1m di un altoparlante di impedenza qualsiasi, riferita a un trasduttore da 8 Ohm.

 Efficienza di Rif. (Sensibilità ponderata)= (Sensibilità a 2.83V, 1m) + 10log(Z/8)  [dB Spl]

Dove Z è il valore d'impedenza nominale (in Ohm) del trasduttore o del sistema di altoparlanti.
Per i tre altoparlanti esaminati precedentemente risulta quanto segue:

Un ulteriore esempio può chiarire meglio la faccenda. Prendiamo tre mid-woofer dalla superfice radiante simile, presenti nel nostro archivio altoparlanti: il Bewith Accurate A130II, il Monacor SPH165KEP e il Ciare HW162.
È importante notare che il primo ha un'impedenza nominale di 4 Ohm, il secondo e il terzo di 8 Ohm. In tabella inseriamo il valore della resistenza in continua della bobina mobile (Re), tanto per far notare che il valore di impedenza nominale (visibile tra parentesi) è puramente indicativo.
Il Monacor e il Ciare hanno la stessa efficienza (il valore tra parentesi è riferito all'impedenza nominale), mentre il Bewith paga un gap di quasi 4 dB (un abisso!).
Per ottenere una pressione sonora di 100 dB a 1 m è necessario aumentare il livello di 11.6 dB per Monacor e Ciare e di 15.2 dB per Bewith. L'amplificatore dovrà erogare rispettivamente 14.45 W per l'SPH165KEP e l'HW162 e 33.11 W per l'A130II, che equivalgono a circa 11 W su 8 Ohm e 30 W su 4 Ohm. Fare riferimento alla Tabella dei dB.

Ovviamente, stiamo sempre semplificando il discorso: questi calcoli sono validi per segnali sinusoidali, i quali hanno un fattore di cresta di soli 3 dB contro gli oltre 20 dB riscontrabili in alcuni brani musicali, capaci di mettere a dura prova amplificatori e altoparlanti.
Inoltre, non stiamo tenendo conto nè della direttività della sorgente acustica (ipotizziamo di eseguire la misura in asse e che la sorgente sia omnidirezionale), nè della reattività del carico: gli altoparlanti e ancor più i diffusori acustici, presentano curve d'impedenza molto variabili con dei minimi che a volte scendono addirittura sotto i 2 ohm (generalmente, i grossi sistemi multivia con cross-over passivi), e rotazioni di fase importanti; queste condizioni di carico sono particolarmente gravose per gli amplificatori che sono chiamati a erogare correnti molto più elevate rispetto a un carico resistivo ideale; la richiesta di elevate correnti implica l'impiego di amplificatori e cavi di qualità e costi nettamente superiori.
Indicativamente, rotazioni di fase elettrica che non oltrepassano i 36° sono considerate del tutto accettabili. In bassa frequenza, il carico acustico dell'altoparlante (soprattutto nei sistemi accordati) provoca andamenti del modulo assai tortuosi e rotazioni di fase ben più ampie, pertanto è buona prassi sovradimensionare l'amplificazione (in particolar modo nei subwoofer attivi) per mantenere una buona "riserva di potenza" durante i passaggi musicali più impegnativi.
La figura seguente mostra proprio l'impedenza in bassa frequenza di un altoparlante da 8" utilizzato in un subwoofer attivo con carico bass-reflex.
Abbiamo evidenziato con le frecce due punti in cui le rotazioni di fase eccededono i ±36° (siamo a circa 47°). In questi punti l'impedenza vale circa 17 Ohm. Per calcolare la parte reale del carico R si può usare questa formula: R= Z * cos(φ)

con Z  e φ  rispettivamente modulo (in Ohm) e argomento (in gradi sessadecimali) dell'impedenza.
Nel caso in esame R vale circa 11.6 Ohm, un valore che non dovrebbe impensierire un qualsiasi buon amplificatore, ma che merita comunque un minimo d'attenzione, poichè in una stretta porzione di frequenze si verificano variazioni di impedenza (e quindi di fase) abbastanza pronunciate. Ricordiamo inoltre, che la reattività del carico è proporzionale alla differenza fra i valori massimi e minimi assunti dal modulo.

Alla luce di queste considerazioni l'efficienza 1W/1m su un carico reale può essere calcolata con questa formula:

Efficenza = (Sensibilità a 2.83V, 1m) + 10log[(Z * cos(φ))/8]  [dB Spl]  

Al termine dell'articolo è possibile scaricare un programma di calcolo, " inerente all'argomento trattato, messo a disposizione dall'ing. Mario Bon, che ringraziamo per la preziosa collaborazione.

* La banda audio è fissata per convenzione da 20 Hz a 20000 Hz.
** Fonte: dispense tecniche di Mario Bon
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