IT202100017741A1 - Membrana per altoparlante erosa tramite incisione laser per la riduzione delle distorsioni e del beack-up - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO: Membrana per altoparlante erosa tramite incisione laser per la riduzione delle distorsioni e del break-up

Campo di applicazione

Il presente brevetto si applica all'ambito della produzione di altoparlanti dinamici, sia di tipo specializzato (woofer o midrange) che full range (larga banda), destinati ad essere impiegati in sistemi audio ove risultino essenziali caratteristiche come estensione in frequenza e linearit? in banda passante. Pi? in particolare si fa riferimento ai settori HiFi, Home Theatre, Car Audio, Audio Professionale e amplificazione di strumenti musicali.

Stato dell'arte e limiti dell'attuale tecnologia

E' noto come, idealmente, un altoparlante dovrebbe essere caratterizzato da una risposta in frequenza uniforme ed il pi? possibile estesa, senza manifestare effetti indesiderati quali una direttivit? variabile con la frequenza e fenomeni di distorsione a livelli percettibili.

Nella realt?, nella maggior parte degli altoparlanti con membrana a cono - senza alcun dubbio la forma di diaframma pi? impiegata attualmente, forma cui si far? riferimento anche nel seguito salvo diversamente specificato, senza che questo costituisca di per se' una limitazione - al di sopra di una certa frequenza che in genere corrisponde a valori del prodotto k-Req compresi tra 1 e 2 (k = numero d'onda = 2nF/c ; F = frequenza, in hertz; c = velocit? di propagazione del suono = 340m/s; Req = raggio equivalente dell'altoparlante, in metri) iniziano a manifestarsi fenomeni noti come break-up della membrana, ossia vibrazioni spurie talora rilevanti, che provocano sensibili irregolarit? ("picchi" e "buchi") nella curva di risposta dell'altoparlante prima del cosiddetto rolloff.

Tra l'altro, quando l'altoparlante "entra in break-up" non pu? pi? essere considerato alla stregua di un "pistone rigido" e dunque modellizzato come tale.

Da questo punto di vista, il problema nasce dal fatto che un altoparlante, a cui si richiede una risposta in frequenza pi? uniforme ed estesa possibile, dovrebbe essere sempre impiegato al di sotto della propria zona di break-up, ovvero a frequenze pi? basse di quella della prima vibrazione spuria.

Non tutte le membrane per altoparlanti, si comportano allo stesso modo: ve ne sono alcune che, grazie alla forma, al materiale impiegato o alle dimensioni, sono meno soggette a tali fenomeni nocivi, mentre ve ne sono altre nelle quali gli stessi fenomeni sono cos? evidenti da inficiarne pesantemente le prestazioni. La presenza, la distribuzione e l'entit? delle "vibrazioni spurie" di un diaframma a cono per altoparlanti dipendono essenzialmente dai seguenti fattori:

- tipo di materiale impiegato per la membrana, spessore e densit? della medesima (le membrane possono anche non essere uniformi: ve ne sono ad esempio talune pi? spesse all'apice e pi? sottili al bordo esterno);

- rigidezza (o modulo di Young) del materiale impiegato;

- angolazione e profilo del cono (ad esempio, diritto o curvo);

dimensioni della membrana (diametro esterno, diametro all'apice, profondit?);

- rigidit? e massa propria dell'equipaggio mobile associato (bobina mobile);

- tipo e propriet? meccaniche delle sospensioni interna ed esterna.

Una delle caratteristiche della membrana che maggiormente influisce sulle prestazioni dell'altoparlante ? la possibilit? di flettersi aggiungendo modi di vibrazione propri che si sovrappongono a quelli trasmessi dalla bobina mobile. Poich? infatti tutti i materiali reali non sono perfettamente rigidi, i modi di vibrazione propri della membrana non sono evitabili, si pu? per? agire sulla loro ampiezza e sul loro smorzamento. La genesi dei modi propri di vibrazione della membrana negli altoparlanti magnetodinamici ? dovuta alla sollecitazione della bobina mobile, la quale trasmette il suo moto all'apice della membrana; le onde sonore viaggiano da qui verso il bordo esterno dal quale sono nuovamente riflesse verso il punto di partenza. A determinate frequenze, allorquando la distanza D tra apice e bordo della membrana ? un numero dispari di quarti di lunghezza d'onda ? (cio? per D = ???/4, con n numero intero dispari), l'impulso "di ritorno" sar? in opposizione di fase rispetto a quello "di andata", ci? che dar? luogo a cancellazioni. Viceversa, allorquando la distanza citata risulta multiplo di mezza lunghezza d'onda (cio? per D = ???/2, con n numero intero, si avranno degli indesiderati "rinforzi" del suono.

Tali fenomeni negativi, comunque, possono essere minimizzati se il diaframma del trasduttore risulta correttamente "terminato" nel suo bordo esterno, ossia se la sospensione esterna viene resa sufficientemente resistiva dal punto di vista meccanico ed acustico in modo da assorbire efficacemente l'energia incidente alle frequenze pi? alte senza introdurre perdite eccessive alle basse frequenze, ove si hanno le maggiori escursioni della membrana .

Purtroppo, i fenomeni descritti non sono per? gli unici a turbare il corretto funzionamento di un trasduttore con diaframma a cono: vi sono infatti anche quelli relativi alle "risonanze" della membrana.

Se il cono dell'altoparlante fosse perfettamente omogeneo, quantomeno in linea teorica, il medesimo sarebbe afflitto da un solo "gruppo" di risonanze (dette nodali o concentriche) , agenti lungo l'asse di eccitazione ed in grado di produrre una serie di "picchi" e "buchi" successivi nella curva di risposta (nella parte pi? alta della sua banda passante, vedi Tav. I Fig. Ia). Purtroppo, per?, oltre alle risonanze nodali intervengono spesso anche delle risonanze spurie secondo modi radiali (detti anche "circonferenziali" o "a campana"), dovuti per l'appunto alla disuniformit? del diaframma e capaci di insorgere anche a frequenze pi? basse. Si tratta di risonanze simili a quelle che si hanno in una campana, che intervengono allorquando la circonferenza esterna della membrana corrisponde ad un numero intero di lunghezze d'onda (Tav. I Fig. Ib).

Ovviamente, i vari modi di vibrazione possono intervenire contemporaneamente, con un succedersi di "rinforzi" e "cancellazioni" che vanno a turbare la regolarit? di risposta e l'estensione superiore della banda passante del trasduttore, oltre ad influire negativamente sulla distorsione dovuta ai "ritardi temporali" e sul comportamento ai transienti del medesimo .

I problemi sin qui descritti non hanno facile soluzione e sono ben noti ai progettisti ed ai costruttori di altoparlanti. Un tipico modo per minimizzarli consiste nell'agire semplicemente sulla forma e sul profilo del diaframma oppure sul materiale che lo costituisce.

Va osservato che ancor oggi che la stragrande maggioranza degli altoparlanti ? provvista di una membrana normalmente detta "in carta", ma che in realt? non ? altro se non un denso feltro di vari tipi cellulosa impregnati con opportuni materiali irrigidenti e/o smorzanti.

Al fine del migliore smorzamento possibile delle vibrazioni spurie ? infatti essenziale conseguire uno "smorzamento interno" della membrana quanto pi? elevato possibile; per contro, per?, pi? si innalza tale smorzamento, pi? si riduce l'estensione verso l'alto della banda passante del trasduttore.

Una valida alternativa ai coni in cellulosa ? costituita da diaframmi in materiale termoplastico (Bextrene, Polistirene, Neoprene, talvolta tra loro miscelati) trattati superficialmente, nella faccia esterna della membrana, con un rivestimento in acetato di polivinile; con essi, soprattutto se correttamente "terminati" al bordo esterno, si riesce ad ottenere una buona rigidit? unita ad un eccellente smorzamento, con fenomeni di break-up abbastanza ben confinati nella parte superiore della gamma di frequenze di utilizzo. Queste membrane sono di norma molto pi? pesanti delle membrane in carta e comportano lo svantaggio di ridurre, talora in modo anche significativo, la sensibilit? dell'altoparlante.

Ulteriori, notevoli progressi nel campo degli altoparlanti sono stati compiuti in questi ultimi anni, con l'introduzione dei diaframmi in fibra di carbonio intessuta e/o stampata, in fibra di vetro ed in particolari materiali di sintesi. Questi diaframmi sono di norma estremamente rigidi e, a fronte di indiscutibili benefici nell'estensione verso le alte frequenze della banda passante del trasduttore, purtroppo si caratterizzano per un suono poco naturale nella gamma delle frequenze intermedie.

Oltre che sul materiale, comunque, si pu? agire anche sulla forma vera e propria della membrana. Se infatti questa ? realizzata come vero e proprio "tronco di cono" (in pratica con fianchi a profilo rettilineo), ? inevitabile in essa l'insorgenza di modi di vibrazione sia "assiali" sia "concentrici". Inoltre, la stessa presenter? inevitabilmente delle discontinuit? (ovvero, degli "spigoli vivi") tanto all'apice (attacco della bobina mobile) quanto al bordo esterno (attacco della sospensione); tali discontinuit? non fanno altro che accentuare gli effetti nocivi delle onde stazionarie.

Si pu? ricorrere allora ad un cono con profilo incurvato: in tal caso viene a migliorarsi notevolmente la regolarit? della risposta sull'asse del componente nella parte pi? alta della gamma di frequenze convenientemente riproducibile e nel contempo vengono minimizzati i menzionati modi di vibrazione "a campana".

Va tuttavia ricordato che, di solito, un cono a profilo curvo ?, a parit? di peso, meno rigido di un cono a profilo rettilineo. Un altro modo per minimizzare gli effetti delle risonanze spurie, indipendentemente dalla scelta del profilo, ? quello di provvedere il cono di corrugazioni concentriche; in questo caso si incrementa la rigidit? del diaframma dal punto di vista dei modi "a campana", ma la si diminuisce nel contempo da quello dei modi "concentrici".

Comunque, proporzionando correttamente il numero, la larghezza e la profondit? delle corrugazioni in questione, il bordo esterno del cono risulta progressivamente "disaccoppiato" all'aumentare della frequenza. In pratica ? come se con il crescere di questa le dimensioni della membrana del trasduttore diminuissero progressivamente; si ha dunque una riduzione dei fenomeni spuri ed un miglioramento delle prestazioni nella parte superiore della banda passante del trasduttore.

Altre strategie atte a minimizzare i fenomeni di break-up e che vengono tuttora impiegate da alcuni produttori di altoparlanti consistono nel praticare degli intagli nel cono, tipicamente in polpa di cellulosa, e riempire detti intagli con del materiale resiliente .

Altre strategie prevedono che il cono venga realizzato mediante assemblamento di pi? parti, tra loro disaccoppiate mediante materiale resiliente.

Descrizione dell'invenzione

Per risolvere o quantomeno minimizzare adeguatamente le problematiche sin qui descritte, una strategia alternativa, oggetto del presente brevetto, consiste nel praticare sulla superficie della membrana delle asportazioni selettive di materiale, in modo da opporsi al manifestarsi di fenomeni di risonanza senza per questo indebolire la rigidit? del diaframma. Di base, le frequenze alle quali si manifestano le vibrazioni spurie che si generano sul diaframma dell'altoparlante dipendono, oltre che dalla forza di eccitazione trasmessa dalla bobina mobile, dalle dimensioni fisiche del diaframma stesso. Nel caso di una membrana di forma conica, pi? il diametro alla base ? grande, pi? basse saranno le frequenze alle quali questi fenomeni cominceranno a manifestarsi. In un cono di diametro alla base piccolo il problema si presenter? a frequenze audio elevate.

L'invenzione di cui ? richiesto il brevetto consiste nell' erodere la superficie della membrana, creando delle discontinuit? cos? da farla apparire alla sollecitazione derivante dalla bobina mobile non pi? come un corpo unico ma come un insieme di tante piccole cellule le cui risonanze, per ovvi motivi dimensionali, "vengono spinte" a frequenze pi? elevate e comunque oltre la gamma tipica di impiego dell'altoparlante. Se poi queste cellule vengono generate secondo una geometria progressiva si otterr? che anche le vibrazioni spurie delle singole cellule saranno distribuite a frequenze diverse e la loro combinazione risulter? giocoforza di intensit? pi? contenuta.

Tra le infinite variazioni sul tema, le incisioni che garantiscono i migliori risultati sono eseguite seguendo un motivo reticolare ad esagoni che si allargano dall'interno all'esterno, secondo una progressione ispirata dalla successione di Fibonacci (Tav. II Fig. IIa).

Pi? in generale, pattern frattali di varia tipologia hanno dato al lato pratico dimostrazione di poter conferire all'altoparlante un sensibile contenimento dei fenomeni di distorsione unitamente ad una linearizzazione della sua risposta in frequenza.

Dette asportazioni devono essere eseguite con grande precisione con l'ausilio di una macchina a raggio laser programmata per ottenere le trame di disegno desiderate (vedi Tav. II Fig. IIb), come ? il caso della sequenza di esagoni precedentemente descritta.

Ovviamente ? necessario implementare una regolazione della macchina in modo piuttosto meticoloso, in quanto una incisione troppo aggressiva deteriorerebbe la rigidit? strutturale della membrana, mentre se troppo superficiale non sarebbe in grado di assicurare le migliorie auspicate nelle prestazioni del trasduttore. Nella fattispecie, la regolazione viene effettuata agendo su potenza, frequenza del raggio laser, tempo di incisione e larghezza della stessa.

A conferma delle migliorie conseguibili nelle prestazioni elettroacustiche del trasduttore, la Tav. III riporta i grafici di risposta in frequenza (Tav. III Fig. III A) e di distorsione armonica totale (Tav. Ili Fig. IIIB) di due woofer dotati della medesima membrana, su una sola delle quali ? stata apportata la modifica .

Descrizione delle tavole

Tavola I. Fig. IA - Risonanze modali nella membrana di un altoparlante a cono e relativi effetti sulla risposta in frequenza del trasduttore. Fig. IB) Risonanze radiali della membrana di un altoparlante a cono.

Tavola II. Fig. IIA - Pattern rappresentativo a successione di esagoni secondo la sequenza di Fibonacci per l'erosione superficiale selettiva del cono di un altoparlante mediante raggio laser. Fig. IIB - Processo di erosione della membrana tramite macchinario per incisioni a raggio laser.

Tavola III. Confronto tra le misure elettroacustiche di un altoparlante (woofer) a cono dotato o meno di diaframma modificato. Fig. IIIA - Risposta in frequenza assiale; Fig. IIIB - Distorsione armonica.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI

   Si rivendica l'originalit? dell'invenzione per i seguenti aspetti:

   I. Membrana di un altoparlante o parte di essa in cui sono praticate delle incisioni o abrasioni superficiali, sulla superficie anteriore, a formare pattern in grado di distribuire al meglio le risonanze della membrana stessa minimizzando le distorsioni e linearizzando la risposta in frequenza;

   II. Membrana o parte di essa come al punto precedente in cui le incisioni o abrasioni superficiali sono praticate unicamente sulla superficie posteriore dell'altoparlante; III.Membrana o parte di essa come al punto 1 nella quale le incisioni o abrasioni sono praticate su ambo le superfici, anteriore e posteriore, secondo figure non necessariamente identiche.