Misura della curva di impedenza di un altoparlante con LIMP Artalabs

Stefano Bianchini
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By Max.AV.Mezzomatto

La seguente guida nasce dalla richiesta di un amico: dovendo misurare l’impedenza di alcuni altoparlanti, mi ha chiesto un metodo semplice ed economico per farlo. Vedrete che l’unica cosa che, se già non l’avete in casa, dovrete acquistare è una scheda Audio USB (si parte da circa 60/70 euro a salire), qualche cavo e un semplice box di interfaccia da autocostruire. Considerate anche che la scheda potrà essere utilizzata per molti altri scopi, quindi non è un acquisto fine a se stesso.

Cercherò di guidarvi passo passo nel modo più semplice possibile. Per qualcuno potrà risultare persino noioso, ma in rete, in italiano, è difficile (se non impossibile) trovare informazioni chiare su questa procedura di misura. Ultima cosa e poi si parte, promesso: le misure eseguite con questo sistema sono state confrontate con un altro sistema di misura più costoso e affidabile che prevede l’uso della famosa CLIO. Lo scostamento è di forse neanche un 5%, cosa più che accettabile, visto che stiamo parlando di un sistema hobbistico fatto per “giocare in casa”, pensato per autocostruttori e appassionati. Vedrete più avanti anche le foto di confronto.

Materiale Occorrente:

  1. Un PC portatile con presa USB e Windows installato.
  2. Al seguente indirizzo www.artalabs.hr/download.htm potrete trovare LIMP, il software necessario per effettuare la misura, insieme alle condizioni di utilizzo, limitazioni e costi nel caso vogliate acquistarlo.
  3. Una scheda USB esterna (nel mio caso una Focusrite Scarlett Solo, ma vanno bene quasi tutte). Requisiti consigliati: due ingressi (solitamente Mic ed Instrument/Line con possibilità di regolazione del livello) e due uscite mono.
  4. Un amplificatore mono o stereo da circa 30/40 W (quello che avete in cantina va benissimo). È preferibile che abbia il controllo volume per facilitare le regolazioni. Nel mio caso ho un piccolo autocostruito con LM3886 dotato di potenziometro del volume.
  5. Un box per la misura da autocostruire (verrà spiegato come realizzarlo).

I cavi qui di seguito elencati vanno bene per la mia scheda; di conseguenza dovrete modificarli se i collegamenti della vostra scheda fossero differenti.

  • 1 cavo segnale RCA > XLR non bilanciato
  • 1 cavo segnale RCA > jack 6,3 mono
  • 1 cavo segnale RCA > RCA mono
  • 1 cavo rosso/nero terminato con banane e mollette: box misure > altoparlante
  • 1 cavo rosso/nero terminato con banane ambo i lati: box misure > amplificatore

NOTA, di non poca importanza ai fini della misura: la qualità dei cavi deve essere buona. In pratica, evitate cavi scadenti. Il sistema può essere sensibile a schermatura, contatti e affidabilità dei collegamenti. Non sto parlando di utilizzare cavi hi-end, ma di usare cavi ben fatti. Nello specifico, io utilizzo cavi autocostruiti con connettori da 3/5 euro e normale cavo del tipo per microfoni (o simile) OFC.

Collegamenti da effettuare per la misura

Box da realizzare per effettuare le misure

Lo schema da realizzare nel box

Tabella riassuntiva delle connessioni dei vari cavi (può tornare utile come promemoria per costruire i vostri cavi)

Il box, come vedete, è molto semplice da realizzare: due connettori RCA da pannello, quattro connettori rosso/nero e pochi centesimi di resistenze. Lo schema da realizzare è quello della foto qui sopra ed è preso direttamente dal manuale di LIMP/Artalabs. Vi consiglio di dargli un’occhiata. Il software è in licenza shareware: è scaricabile gratuitamente in rete e utilizzabile in modalità demo. Se vi interessa, nessuno vi vieta di acquistarlo.

La misura, senza dilungarci troppo, sfrutta il sistema della resistenza nota/campione (Vref). Le altre resistenze, insieme ai diodi, svolgono una protezione ulteriore per la scheda USB.

Una volta procurato tutto il materiale ed effettuati i collegamenti, siamo pronti a partire.

  • Abbassare il volume di uscita della scheda audio e posizionare i potenziometri degli ingressi ad 1/3 circa della loro corsa.
  • Controllare che l’alimentazione phantom del microfono a 48 V sia spenta.
  • Se la scheda Audio USB è provvista dello switch Inst./Line, posizionarlo su Line.
  • Accendere il PC e lanciare LIMP, eseguendolo in modalità DEMO MODE (se non si è registrati). La schermata iniziale è questa qui sotto.

  • Scollegare l’altoparlante in prova per effettuare i settaggi iniziali, necessari per poter eseguire la misura.
  • Portare a 0 il volume dell’amplificatore e accenderlo.
  • Nel menu, nella parte alta dello schermo, aprire Setup, quindi nel menu a tendina scegliere Audio devices. Controllare che la vostra scheda audio sia riconosciuta (nel mio caso vedete la Focusrite Scarlett Solo, foto sotto). Se non fosse riconosciuta, dovete verificare nelle proprietà del PC che la scheda audio sia installata correttamente, driver inclusi, e che sia valida come periferica predefinita.
  • Sotto riassumo la sequenza dei tasti che vanno premuti e le selezioni. Nel proseguo sarà sempre indicata in questo modo.
  • Setup > Audio devices > verificare che sia riconosciuta la propria scheda Audio USB > OK.

  • Ora nel menu in alto: Setup > Measurement. Si apre questa schermata.

  • Impostare i valori: Reference channel LEFT, Reference resistor 27 ohm (è il valore della Rref usata nel box), Max Averages 10 > OK.
  • Nel menu in alto: Record > Calibrate. Si apre questa schermata.

  • Premere Generate (è il generatore interno di segnale). Aumentare il volume della scheda USB fino a circa 1/3 della sua corsa, quindi aumentare lentamente il volume dell’amplificatore. Vedrete salire l’indicatore “Input Level Monitor”. Aumentare fino a indicare circa -40 dB. Ora, agendo con delicatezza sui potenziometri di ingresso (Mic e Line), fare in modo che i due segnali siano il più possibile uguali tra loro. Correggere sempre con il master della scheda audio fino a mantenersi intorno a -40 dB, come nella foto sopra.
  • A questo punto premere Calibrate. Il sistema esegue il test di calibrazione. Nella casella accanto a Status verrà indicata la differenza tra i canali (“Channel diff.”). Se avete fatto tutto bene, la differenza tra i due canali dovrebbe essere inferiore a +/- 2 dB, altrimenti il sistema segnalerà errore. In tal caso tornate su Generate e ripetete la procedura regolando la sensibilità degli ingressi. Questa calibrazione è fondamentale per la precisione delle misure successive, quindi cercate di ridurre lo scarto il più possibile. Non è difficile arrivare a scarti di +/- 0,5 dB. Se la differenza è entro +/- 2 dB, premete OK e andate avanti. NB: l’altoparlante, fino a qui, era ancora scollegato.
  • A questo punto si deve collegare l’altoparlante da provare.
  • Nel menu in alto: Setup > Generator. Si apre questa schermata.

Verificare che sia selezionato Pink Noise > 0dB > 1KHz > 20 Hz, come negli ellissi evidenziati. A questo punto premere Test. Dovreste sentire il rumore rosa emesso dall’altoparlante e il Level Monitor indicarne il livello, che in questo caso sarà diverso per i due canali. È normale, va bene così, non toccate i potenziometri degli ingressi. OK, siamo pronti per la misura.

Nella barra degli strumenti premete il tasto PLAY (rosso). Verrà visualizzata la curva di impedenza dell’altoparlante come nella foto seguente. Con i cursori Max e Min (che trovate a destra dello schermo) potrete spostare a vostro piacimento e modificare la scala della curva ottenuta per una migliore visione.

Se necessario, cliccando con il tasto destro del mouse si apre un menu a tendina nel quale è possibile ampliare la scala delle frequenze e portarla fino a 5 Hz, come nella foto sottostante.

Sulla sinistra, in basso nello schermo, è visualizzato il valore in ohm dell’impedenza. Per ottenere il valore effettivo, dovrete sottrarre il valore della resistenza campione, che nel nostro caso è 27 ohm. Facciamo un esempio: nella foto, se con il cursore vi posizionate nel punto più basso della curva, in basso allo schermo, sotto “Cursor”, leggerete la frequenza e il valore dell’impedenza. Nell’esempio siamo a circa 220 Hz e il valore indicato è 34,17. A questo vanno sottratti i 27 ohm della resistenza campione: 34,17 – 27 = 7,17 ohm.

Sulla destra dello schermo avete la scala della fase. Ancora un esempio: se vi portate col cursore, come in foto, sul picco massimo della curva, dove la fase passa per lo zero gradi, potrete leggere la frequenza di risonanza dell’altoparlante e il suo valore massimo in ohm. Anche in questo caso va sempre sottratto il valore dei 27 ohm già citati.

Nell’esempio in foto, con la fase a circa 0 gradi, la Fs (frequenza di risonanza) vale 49,61 Hz e il valore di massima resistenza effettivo dell’altoparlante è 64,67 – 27 = 37,67 ohm circa. Leggete sempre, in basso a sinistra, la sezione “Cursor”.

Ecco, avete fatto la vostra prima misura della curva di impedenza di un altoparlante. Questa misura vi permette di conoscere il comportamento elettrico dell’altoparlante alle varie frequenze, informazione fondamentale in vista della realizzazione del diffusore. Per il momento fermiamoci qui.

Infine, alcune foto fatte per confrontare i due sistemi, come accennato all’inizio del tutorial. Sopra le misure fatte con CLIO e sotto quelle con LIMP. Notate i piccoli break-up dell’altoparlante presenti in entrambe le misure.

Ed ancora la misura di un piccolo diffusore Sony, preso così com’è come muletto test.

Lo scarto fra i due sistemi è veramente minimo (non vi fate ingannare dalle scale leggermente differenti) ed è di poca importanza per il fine per il quale verranno utilizzate queste misure, cioè, ricordiamolo sempre, l’hobby dell’autocostruzione dei diffusori. È solo l’inizio di un lungo percorso che porta alla realizzazione definitiva di un diffusore, ma da qualche parte bisogna pur cominciare.

Sperando di esservi stato utile e di aver acceso in voi il germe della curiosità, vi saluto. Infine, un ringraziamento speciale dovreste farlo anche al caro amico Stefano Bianchini SB-LAB per aver permesso di pubblicare questa piccola dispensa sul suo sito.

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H.H. Scott 299A – Restauro completo e rinascita di un classico dell’alta fedeltà

Stefano Bianchini
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Il H.H. Scott 299A è uno degli amplificatori integrati valvolari americani più rappresentativi dei primi anni ’60, molto apprezzato per la qualità sonora e la costruzione solida tipica dei prodotti H.H. Scott di quell’epoca. Utilizza una coppia di valvole 7189 in configurazione push-pull per ciascun canale, pilotate da una sezione preamplificatrice basata su valvole 12AX7 e 6BL8, offrendo una potenza di circa 20-22 watt RMS per canale, con un suono caldo, preciso e musicale. Purtroppo, molti esemplari giunti fino a noi hanno subito modifiche, maldestri tentativi di riparazione o guasti dovuti all’età e al degrado dei componenti originali.

L’esemplare in questione è arrivato in laboratorio in condizioni pessime, con cablaggi manomessi e diversi componenti sostituiti in modo approssimativo, come si può vedere dall’immagine qui sotto.

Il circuito era stato “pastrocchiato” con collegamenti improvvisati e condensatori montati in modo casuale. Diversi elettrolitici multipli originali risultavano aperti, e il fissaggio meccanico interno non consentiva la semplice sostituzione con modelli moderni. Per ottenere un montaggio solido e pulito ho dovuto svuotare gli involucri dei condensatori originali e installare all’interno nuovi componenti, mantenendo al contempo l’aspetto estetico d’epoca.

Ma i problemi non finivano qui. L’amplificatore era stato letteralmente “violentato”: qualcuno aveva montato delle EL84 al posto delle 7189, probabilmente perché più facili da reperire, ignorando però che le EL84 non sopportano le stesse tensioni di lavoro. Con la polarizzazione negativa originale del circuito, le valvole sono andate in sovracorrente, causando il guasto di un trasformatore d’uscita. Il corto ha poi bruciato il fusibile principale, che è stato sostituito con un pezzo di filo di rame, come si vede nella foto seguente.

L’uso del filo di rame al posto del fusibile ha inevitabilmente portato al danno successivo: anche il trasformatore di alimentazione si è bruciato. A questo punto la riparazione è proseguita con il riavvolgimento completo di entrambi i trasformatori – quello d’uscita e quello di alimentazione – quest’ultimo realizzato con primario a 230 volt per adattarlo all’alimentazione europea. Dopo la revisione dei trasformatori, sono stati puliti accuratamente tutti gli zoccoli valvolari, gli interruttori, i potenziometri e le resistenze fuori tolleranza. Infine è stato acquistato un quartetto di 7189 nuove e bilanciate.

Alla prima accensione tutto sembrava funzionare, ma uno dei due canali erogava 20 watt mentre l’altro si fermava a 6 watt con forte distorsione. Dopo diverse ore di misure e controlli ho individuato la causa in una saldatura originale difettosa, invisibile a occhio nudo ma responsabile dello squilibrio. Una volta corretta, l’amplificatore ha raggiunto la piena simmetria di potenza e un comportamento stabile in entrambe le sezioni.

Con la parte elettronica finalmente ripristinata, mancava solo un dettaglio importante: il mobile. Gli H.H. Scott dell’epoca venivano venduti senza cabinet, che poteva essere acquistato separatamente o integrato in sistemi combinati. Tuttavia, alcuni appassionati ancora oggi utilizzano questi amplificatori con il fondo completamente aperto, esponendo componenti ad alta tensione e connessioni letali a portata di mano. Una pratica pericolosissima e assolutamente da evitare.

Per restituire all’apparecchio la sua dignità estetica e garantire la sicurezza d’uso, ho fatto realizzare da un falegname un mobile su misura ispirato al design originale, mantenendo proporzioni e finiture fedeli allo stile dell’epoca.

Il risultato finale è un H.H. Scott 299A riportato al suo splendore originale, elettricamente sicuro e visivamente elegante, pronto a regalare ancora molti anni di musica. Interventi di questo tipo richiedono esperienza, pazienza e conoscenza approfondita della tecnologia valvolare: un approccio artigianale che permette di salvare autentici pezzi di storia dell’audio.

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Generatore di rumore bianco a larga banda per test audio (fino a 500 kHz)

Stefano Bianchini
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Un generatore di rumore bianco è uno strumento sorprendentemente utile in laboratorio audio: permette di verificare rapidamente la risposta in frequenza di un preamplificatore o di un finale, mettere in evidenza risonanze e colorazioni, controllare l’efficacia di un filtro o di un tono, tarare un semplice analizzatore RTA e, soprattutto, “stressare” un percorso di segnale in modo ripetibile per stanare ronzii, fruscii e problemi di massa. In questo articolo descrivo un piccolo generatore di rumore bianco completamente a transistor, pensato per essere economico, facile da costruire e adatto ad essere collegato direttamente ad un ingresso linea. L’uscita è bufferizzata, l’ampiezza è compatibile con le elettroniche Hi-Fi e l’alimentazione è stabilizzata e filtrata per evitare che l’apparecchio stesso diventi una sorgente di disturbi.

Può essere molto utile avere un generatore di rumore bianco per fare diversi test sulle elettroniche audio, ho quindi messo a punto un piccolo generatore a transistor che eroghi un rumore bianco con una banda sufficiente per il collaudo di un’apparecchiatura audio e un’ampiezza di uscita compatibile con un’ingresso linea. L’idea di fondo è realizzare una sorgente “sporca al punto giusto”, cioè un rumore ampio di banda e statisticamente casuale, ma con un livello controllabile e con un’uscita capace di pilotare senza drammi l’impedenza tipica di un ingresso linea, anche quando questa scende a valori relativamente bassi.

Il circuito è volutamente semplice e usa componenti comuni. La sorgente del rumore è la giunzione EB di un BC337 polarizzata inversamente: in queste condizioni la giunzione lavora in zona di breakdown e genera un rumore casuale a larga banda (un rumore “grezzo” che poi viene amplificato). Questa soluzione è pratica perché non richiede diodi Zener particolari o transistor selezionati, e nella maggior parte dei casi fornisce già un livello di rumore più che sufficiente per applicazioni audio di collaudo.

Il segnale generato in questo modo è però molto piccolo e va portato ad un livello utilizzabile. I due BC337 successivi lavorano quindi come stadi di amplificazione audio, con un guadagno complessivo elevato, dell’ordine di circa 60 dB. Un guadagno così alto è comodo perché consente di ottenere facilmente un’uscita “da linea”, ma è anche il motivo per cui la costruzione deve essere curata: qualsiasi disturbo captato fisicamente dal circuito (tipicamente i 50 Hz di rete) verrebbe amplificato insieme al rumore, rovinando il risultato e rendendo il generatore inutilizzabile per misure serie.

Per rendere l’uscita stabile e poco influenzata dal carico ho aggiunto un buffer a JFET BF256, impiegato come stadio di disaccoppiamento. In pratica, gli stadi a transistor si occupano di creare e amplificare il rumore, mentre il JFET “isola” il circuito dal mondo esterno, fornendo una bassa impedenza di uscita e riducendo la sensibilità alle variazioni di carico. Questo è importante perché, in laboratorio, può capitare di collegare il generatore a ingressi diversi, a cavi lunghi, ad attenuatori, oppure ad apparecchi con impedenze non sempre ideali.

R8 e R5 formano la rete di retroazione che serve proprio a compensare l’effetto del carico sull’uscita. L’obiettivo non è avere un valore “magico” di distorsione (qui non ci interessa, stiamo generando rumore), ma mantenere un livello ragionevolmente costante e un comportamento prevedibile quando l’impedenza di ingresso dell’apparecchio collegato scende. In questo progetto l’uscita rimane utilizzabile anche con carichi fino a 22kohm, valore che copre molti ingressi linea reali e parecchi attenuatori passivi.

L’alimentazione è un altro punto critico, spesso sottovalutato nei piccoli generatori da banco. Il circuito è alimentato a 15volt stabilizzati tramite LM317L, più che sufficiente a erogare i circa 7mA assorbiti dal generatore. Ho scelto volutamente una soluzione semplice: un piccolo alimentatore esterno “cubetto” di recupero che fornisce 24volt CC, così da tenere fuori dal contenitore tutto ciò che è collegato direttamente alla rete. Questo riduce i rischi e, se il cablaggio è fatto bene, aiuta anche a limitare l’accoppiamento di disturbi di rete nel circuito ad alto guadagno.

Per evitare che eventuale rumore o ripple proveniente dall’alimentatore esterno entri nel generatore, la cella RC R9/C6 lavora come filtro aggiuntivo a monte della sezione più sensibile. In pratica è un “secondo muro” che attenua le componenti indesiderate prima che possano raggiungere gli stadi di amplificazione. Questo è particolarmente utile quando si usano alimentatori switching economici, che possono introdurre spurie ad alta frequenza, e quando si lavora con cablaggi lunghi o con prese non perfette.

Proprio per il guadagno elevato, è fondamentale schermare il circuito e impostare bene masse e cablaggio. Se lasciato “nudo” o montato in un contenitore plastico, il generatore capterebbe con facilità il campo a 50 Hz e i disturbi ambientali, amplificandoli a dismisura. Una scatola metallica collegata correttamente a massa, collegamenti corti, un punto di massa ragionato (evitando anelli), e un’uscita con connettore ben fissato fanno la differenza tra un generatore pulito e uno che produce più ronzio che rumore bianco.

In uso pratico, questo generatore può essere impiegato in tanti modi: come sorgente per misurare la risposta in frequenza con una scheda audio e un software RTA, per confrontare due percorsi di segnale (ad esempio prima e dopo una modifica), per verificare rapidamente se un canale “suona” diverso dall’altro, oppure per controllare l’efficacia di un filtro antirumore o di un intervento di schermatura. Anche senza strumentazione sofisticata, il rumore bianco è utile perché mette subito in evidenza anomalie: un ronzio sovrapposto, un fruscio eccessivo, una banda che si chiude, un canale più attenuato, un problema di contatto o di massa.

Se si vuole essere pignoli, si può anche regolare il livello di uscita in modo che sia coerente con le sorgenti reali (ad esempio qualche centinaio di millivolt RMS su ingresso linea), usando un semplice attenuatore o calibrando il livello con un multimetro true RMS o con una misura via scheda audio. Non è indispensabile, ma aiuta a ripetere le prove in modo consistente e a non mandare in saturazione gli stadi d’ingresso dell’apparecchio sotto test. Ecco lo schema (clicca per ingrandire)

Osservando lo schema si nota subito l’impostazione “da laboratorio”: sorgente di rumore semplice, due stadi di guadagno per portare il livello a valori utilizzabili, e buffer finale per rendere l’uscita robusta. È un progetto che privilegia la praticità e l’affidabilità, e che può essere realizzato su millefori o su una basetta incisa in casa senza difficoltà. Con un montaggio ordinato e una buona schermatura, il risultato è un generatore compatto che diventa davvero comodo da tenere sempre sul banco. Ed ecco il mio montaggio:

Nel montaggio pratico ho cercato di mantenere i collegamenti più corti possibile nelle zone ad alto guadagno, separando fisicamente la parte di alimentazione e filtraggio dalle sezioni di amplificazione. Anche la disposizione dei componenti conta: più il percorso del segnale resta compatto e meno superficie “antenna” offriamo ai campi elettromagnetici ambientali. Se prevedi di replicare questo circuito, il mio consiglio è di pensare prima al layout e solo dopo alla saldatura, perché con 60 dB di guadagno un layout improvvisato spesso porta a risultati deludenti.

Qui si vede meglio la compattezza del circuito. Se usi un contenitore metallico, vale la pena collegare il punto di massa principale al contenitore in un solo punto, vicino al connettore di uscita, in modo da ridurre la probabilità di loop. In alternativa, se il generatore viene collegato ad apparecchi già messi bene a terra, può essere sensato prevedere anche una piccola resistenza o rete di disaccoppiamento tra massa segnale e chassis, ma nella maggior parte dei casi un cablaggio pulito è già sufficiente.

Una volta completato, questo piccolo generatore diventa un “coltellino svizzero” per il collaudo: lo colleghi, regoli il livello, e in pochi minuti capisci se un canale è più rumoroso, se un ingresso ha un problema, se un filtro lavora come previsto o se la schermatura di un apparecchio è insufficiente. Con pochissima spesa e pochi componenti, è uno di quei progetti che vale la pena costruire perché torna utile molto più spesso di quanto si pensi.

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