IT201900006016A1 - Reti di crossover per la suddivisione di segnali audio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale al settore della riproduzione del suono tramite mezzi elettrici. Più specificatamente, la presente invenzione si riferisce a reti di crossover, ovvero di suddivisione del segnale audio tra vari altoparlanti in funzione della loro frequenza.

La presente invenzione punta a risolvere i problemi che si presentano nella costruzione di una rete di crossover non solo osservandola dal punto di vista elettrico, che è come viene affrontata oggigiorno, ma, soprattutto, tenendo in considerazione tutte le interazioni che avvengono nella circuitazione. Queste interazioni sono prodotte sia dai conduttori sia dai componenti reattivi (induttanze, condensatori e resistenze) quando percorsi da tensione. Questo problema nasce dal fatto che i componenti, normalmente, vengono posizionati liberamente nello spazio isolandoli solo dal punto di vista elettrico, ma non da quello elettromagnetico; perciò i sistemi risultano corretti dal punto di vista elettrico, ma inadatti a riprodurre un evento spazio-temporale quale è la riproduzione attraverso mezzi meccanici di un suono.

L’obiettivo della presente invenzione è quello di costruire una rete di crossover in cui si trasporta e si elabora un “evento spazio-temporale” (per evento spazio-temporale si intende un segnale che viene trasportato nell’unità di tempo e di spazio) senza alterarlo, in modo tale che la somma dei segnali in uscita sia equivalente al segnale in entrata.

I circuiti di suddivisione delle frequenze audio, prima che queste vengano assegnate agli altoparlanti, vengono definiti con il termine tecnico inglese “crossover”.

Il crossover è di fatto la rete elettrica che nella catena audio si interpone tra i trasduttori e l’amplificatore di potenza; il suo progetto scaturisce dall’esigenza di assegnare a diversi trasduttori elettroacustici le frequenze audio da riprodurre nel modo più attinente possibile al modello teorico di funzionamento a pistone rigido di un sistema di trasduzione elettroacustico, al fin di ottenere un sistema di diffusione elettroacustico con risposta uniforme in modulo, fase coerente e dispersione la più ampia possibile.

Nello specifico, nella quasi totalità dei casi, vengono realizzate reti a più poli comunicanti tra il ramo positivo ed il ramo negativo che trasportano l’informazione spazio-temporale.

Questo accade anche quando vengono realizzate semplici reti del 1° ordine elettrico (Butterworth). Infatti le reti del 1° ordine elettrico Butterwort, normalmente, vengono coadiuvate da celle di compensazione dell’impedenza dell’altoparlante e/o per il controllo delle risonanze della membrana dell’altoparlante, denominate con il termine inglese breakup. Queste celle vengono posizionate in parallelo al circuito o addirittura in parallelo tra componenti reattivi; poiché il filtro Butterworth del 1° ordine elettrico viene ritenuto a pendenza troppo blanda per evitare interferenze tra le varie vie adiacenti di un sistema elettroacustico. Inserendo nella rete del 1° ordine Butterworth delle celle di compensazione dell’impedenza e/o per il controllo delle risonanze della membrana dell’altoparlante, essa viene trasformata in una rete multipolare, in cui tutte le interazioni tra i vari componenti creano un’alterazione dell’evento spazio-temporale; quindi una modificazione dell’informazione che è rappresentata dal segnale che sta transitando sotto forma di impulso elettrico. Per meglio comprendere il campo della presente invenzione si fa riferimento al precedente brevetto del medesimo inventore numero IT0001385071.

Il suddetto brevetto insegna come realizzare un sistema di cavi per la trasmissione in banda audio, digitale e di alimentazione. Come risulta dalla ricerca fatta sui cavi, che ha scaturito il brevetto sopracitato, in un sistema di connessione, adibito al trasporto di un evento spazio-temporale, non è sufficiente un isolamento elettrico, ma oltre ad esso è indispensabile un isolamento elettromagnetico. Difatti nel brevetto IT0001385071 viene introdotta una schermatura, per ogni singolo conduttore, che compone il sistema di connessione, composta da uno o più schermi elettrostatici. In questo modo si ha l’eliminazione o comunque l’attenuazione delle interazioni tra i campi elettromagnetici generati dal passaggio di correnti di segno opposto tra i conduttori del sistema di connessione. Un’altra innovazione presentata nel brevetto IT0001385071 è l’introduzione di un terzo conduttore, avvolto da almeno uno strato di schermatura, con funzione di raccolta, al proprio interno, dei prodotti della schennatura del conduttore positivo, connesso, il terzo conduttore, con funzione di scarico ad equipotenziale con la schermatura ed il conduttore del polo negativo.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una rete crossover totalmente simmetrica nei due rami positivo e negativo, che è ottenibile soltanto disponendo i componenti reattivi in maniera totalmente simmetrica nei due rami; ottenendo un “evento spazio-temporale” in uscita dal sistema rete di crossover il più coerente e meno alterato possibile rispetto a quello fornito in ingresso.

Altro scopo della presente invenzione è di fornire un sistema di rete di crossover con percorsi ed elementi reattivi totalmente schermati, al fine di eliminare o comunque attenuare le interazioni tra campi elettromagnetici; i quali sono generati dal passaggio di tensioni di segno opposto nel sistema di conduttori e di elementi reattivi nel sistema rete di crossover, il che provocherebbe una drastica riduzione nell'efficienza del passaggio del segnale.

Altro scopo della presente invenzione è realizzare un sistema di rete crossover totalmente simmetrica comprendente almeno due cavi ed i relativi elementi reattivi, per la trasmissione dei segnali, avvolti in almeno uno strato di schennatura elettrostatica. La rete di crossover comprende almeno un cavo a potenziale predeterminato, tra i due cavi di trasmissione segnali e relativi elementi reattivi, il quale presenta almeno un conduttore avvolto da almeno uno strato di schermatura elettrostatica, l’almeno uno strato di schermatura elettrostatica di almeno uno degli almeno due dei due cavi di trasmissione segnali e relativi elementi reattivi della rete crossover essendo elettricamente collegato con almeno un conduttore e relativi elementi reattivi del cavo a potenziale predeterminato.

Da questa ricerca emerge che esiste una sola tipologia idonea a svolgere questo compito ed è la rete elettrica del 1° ordine Butterworth, poiché è l’unica che garantisce risposta in ampiezza e fase lineari ed impiega un solo componente per ogni banda da suddividere o al massimo due in serie per il passa banda ( che si usa per l’altoparlante preposto a riprodurre la gamma di frequenze intermedie). La presunta bassa pendenza e conseguente interferenza tra gli altoparlanti viene eliminata dalle innovazioni introdotte in questo trovato.

Le innovazioni del presente trovato consistono nel suddividere il valore del componente idoneo a svolgere una determinata funzione in due metà identiche da porre in modo simmetrico sui due rami, positivo e negativo del circuito come mostrato in FIG.1 e FIG.2 . Così facendo si sono resi evidenti immediatamente due elementi di rilievo:

Primo, maggior controllo dello spostamento della membrana, con conseguente minore distorsione del sistema, grazie alla simmetria del circuito ed al suo controllo sull'impedenza dell'altoparlante.

Secondo ed importantissimo elemento è che per la prima volta il sistema di suddivisione delle frequenze audio viene inglobato all' interno della schermatura elettromagnetica del sistema cavo, impedendo di fatto che avvengano dannose interferenze tra gli elementi preposti ad effettuare la suddivisione delle bande audio da assegnare ai diversi altoparlanti, che costituiscono il sistema elettroacustico.

Agendo altrimenti i componenti reattivi delle rete di crossover interagirebbero tra di loro in modo rilevantissimo modificando l’evento spazio-temporale di cui si è già dimostrato nel brevetto del sistema di connessioni. In FIG.3 e FIG.4 viene mostrata la realizzazione di detta schermatura per passa alto e passa basso.

Le FIG.3 e FIG.4 mostrano gli schermi che consentono non solo di isolare elettrostaticamente i componenti ed i conduttori del circuito passa basso tra di loro, ma anche quelli del passa basso e viceversa.

In particolar modo i componenti in cui transitano tensioni e correnti più elevate (woofer = altoparlante preposto alle basse frequenze ) generano campi elettromagnetici di entità notevole che modificano in modo irreparabile le informazioni spazio-temporali dei componenti in cui transitano tensioni e correnti più deboli ( tweeter = altoparlante preposto alle alte frequenze ).

Questa nuova topologia circuitale riportata in FIG.3 e FIG.4 consente di raggiungere una notevolissima protezione dell’evento spazio-temporale che transita nei componenti che svolgono la suddivisione delle bande audio da assegnare ai vari altoparlanti. Tutto ciò si traduce in un notevole senso di naturalezza dei suoni riprodotti con miglioramento di tutti i parametri coinvolti nella percezione delle modalità di emissione dei suoni degli strumenti, la stabilità degli stessi nel tempo e nello spazio al variare del contenuto energetico e di distribuzione spettrale del segnale musicale.

Risulta di tutta evidenza dalle analisi teoriche e sperimentali messe in atto dallo scrivente che con queste nuove configurazioni di crossover che suddividono in modo simmetrico i componenti si ottiene una notevole linearizzazione del comportamento degli altoparlanti sia in regime dinamico ( minor distorsione ) sia per una maggior quantità di informazioni preservate grazie alla maggior simmetria e della schermatura elettrostatica dei rami della rete. Come evoluzione ed ulteriore miglioramento si propone di collegare la schermatura elettrostatica ad un terzo cavo come visibile in FIG.5 e FIG.6.

In questo modo i prodotti delle schermature del ramo positivo e negativo interagiscono in maniera molto ridotta; poiché il terzo conduttore, che è realizzato da un conduttore ed almeno uno strato di schermatura, raccoglie e trasporta i prodotti della schennatura elettrostatica del cavo positivo e dei suoi relativi elementi reattivi e li scarica al polo negativo con cui è connesso a potenziale predeterminato. Più in particolare si realizza una perfetta simmetria dei percorsi dei segnali nel cavo positivo ed in quello negativo con la conseguenza che l’evento spazio-temporale risulta alterato il meno possibile.

I due percorsi del segnale con i relativi elementi reattivi, preposti al compito di suddividere la banda audio, sono in assoluta simmetria e tali sono visti dai carichi ad essi collegati, cioè l’altoparlante e l' amplificatore.

La FIG.7 mostra un esempio di incapsulatura schermante di un componente della rete di crossover.

La soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell’invenzione, come pure ulteriori caratteristiche ed i relativi vantaggi, sarà meglio compresa con riferimento alla seguente descrizione dettagliata, data puramente a titolo indicativo e non limitativo, da leggersi congiuntamente alle figure allegate (in cui elementi corrispondenti sono indicati con riferimenti uguali o simili e la loro spiegazione non è ripetuta per brevità). A tale riguardo, è espressamente inteso che le figure non sono necessariamente in scala (con alcuni particolari che possono essere esagerati e/o semplificati) e che, a meno di indicazione contraria, esse sono semplicemente utilizzate per illustrare concettualmente le strutture e le procedure descritte. In particolare:

FIG.1 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa alto del primo ordine Butterworth secondo la prima e più semplice soluzione proposta nel presente trovato;

FIG.2 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa basso del primo ordine Butterworth secondo la prima e più semplice soluzione proposta nel presente trovato;

FIG.3 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa alto del primo ordine Butterworth secondo la seconda soluzione proposta nel presente trovato utilizzante una schermatura elettrostatica;

FIG.4 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa basso del primo ordine Butterworth secondo la seconda soluzione proposta nel presente trovato utilizzante una schermatura elettrostatica;

FIG.5 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa alto del primo ordine Butterworth secondo la terza soluzione proposta nel presente trovato utilizzante una schermatura elettrostatica collegata ad un terzo conduttore;

FIG.6 mostra uno schema elettrico di filtraggio passa basso del primo ordine Butterworth secondo la terza soluzione proposta nel presente trovato utilizzante una schermatura elettrostatica collegata ad un terzo conduttore;

FIG.7 mostra un esempio di schennatura elettrostatica di un componente reattivo della rete di crossover.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Rete di crossover del primo ordine elettrico caratterizzata dal fatto di avere il componente reattivo (capacita e/o induttanza) suddiviso in due, o multipli di due, identiche metà disposte in modo simmetrico sui due rami positivo e negativo della rete.
2. 2. Rete di crossover secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto di avere una schermatura elettrostatica, eventualmente in vari strati, che ingloba per intero sia il ramo positivo che quello negativo del circuito, componenti reattivi compresi, collegata al conduttore negativo (di massa) a monte del circuito.
3. 3. Rete di crossover secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto di avere una schermatura elettrostatica, eventualmente in vari strati, che ricopre sia i conduttori positivo e negativo e di un conduttore aggiuntivo, composto da un conduttore e da una schermatura elettrostatica avente lo stesso numero di strati della schermatura dei conduttori positivo e negativo, che raccoglie e porta a condizioni di equipotenziale lo schermo del polo positivo e quello del polo negativo con il conduttore interno collegato in condizione di equipotenzialità al conduttore di massa a monte del circuito.