1. Introduzione

Le casse audio sono componenti fondamentali per riprodurre il suono, sia in contesti live che in studio. La loro configurazione, il tipo e la modalità di cablaggio influenzano direttamente la qualità sonora percepita. In questa lezione, approfondiremo il funzionamento delle casse, analizzeremo le diverse tipologie disponibili, tratteremo le tecniche di configurazione di impianti audio complessi e il cablaggio adeguato per ogni tipo di sistema.

2. Le Casse: Principio di Funzionamento

Il principio di funzionamento delle casse audio si basa sulla trasformazione di segnali elettrici in onde sonore attraverso i driver, che sono componenti elettromeccanici all'interno della cassa.

1. Il segnale elettrico proveniente dall’amplificatore o dal mixer raggiunge la cassa e arriva al driver (che può essere un woofer per i bassi, un midrange per le frequenze medie o un tweeter per le alte).
2. Il driver è costituito da una membrana collegata a una bobina avvolta attorno a un magnete permanente. Quando il segnale elettrico raggiunge la bobina, genera un campo magnetico che reagisce con il magnete.
3. Il movimento della bobina fa vibrare la membrana collegata, creando onde di pressione che si propagano nell'aria e sono percepite come suono.

Componenti chiave:

• Membrana (cono): La parte visibile del driver, che vibra per muovere l'aria e creare il suono.
• Bobina mobile: Genera il campo magnetico che fa muovere la membrana.
• Magnete permanente: Interagisce con la bobina per generare il movimento necessario.
• Crossover: Un filtro che suddivide il segnale audio in bande di frequenza, indirizzandole al driver adatto (es. bassi al woofer, alti al tweeter).

Il funzionamento della cassa è dunque un processo fisico che richiede precisione e materiali di qualità per garantire fedeltà e potenza sonora.

2.1 Caratteristiche principali

Le caratteristiche principali che definiscono la qualità e l’uso delle casse audio sono:

• Risposta in frequenza: Indica la gamma di frequenze che la cassa può riprodurre fedelmente, solitamente espressa come una gamma (ad esempio, 50 Hz - 20 kHz). Una buona risposta in frequenza garantisce che la cassa riproduca suoni chiari e bilanciati.

• Sensibilità (dB SPL): Misura il livello di pressione sonora (volume) prodotto dalla cassa con un watt di potenza, solitamente a una distanza di un metro. Un valore di sensibilità più alto indica una cassa più efficiente, che richiede meno potenza per generare un determinato livello di volume.
• Potenza nominale (Watt): La potenza nominale rappresenta la capacità della cassa di gestire potenza in ingresso senza distorsione o danni. È importante distinguere che questo valore non rappresenta il consumo di corrente della cassa: misura la quantità di potenza che la cassa può sopportare dal punto di vista del segnale audio. Una cassa con una potenza nominale alta sarà in grado di sostenere livelli di volume elevati senza distorsioni, ma il consumo elettrico dipenderà dall'efficienza dell'amplificatore integrato (per le casse attive) e dalla resistenza del segnale.
• Direzionalità: La direzionalità indica la dispersione del suono e dipende dalla costruzione della cassa e dalla tipologia di driver. Una direzionalità stretta concentra il suono in un’area più precisa (tipica dei tweeter), mentre una più ampia copre un’area maggiore. La direzionalità influenza il posizionamento delle casse in ambienti diversi per garantire una copertura sonora uniforme.
• Impedenza: L’impedenza è la resistenza al passaggio del segnale audio espressa in ohm (Ω). Nelle casse, l’impedenza determina quanta corrente l'amplificatore deve fornire per generare un determinato livello di pressione sonora. Le casse passive tipicamente hanno impedenze standard come 4, 8 o 16 ohm. Impedenze più basse richiedono più corrente e possono aumentare il carico sull’amplificatore, mentre casse con impedenza più alta richiedono meno corrente. L'impedenza deve essere compatibile con l'amplificatore per evitare danni: un impianto con casse a bassa impedenza su un amplificatore non adeguato potrebbe surriscaldarsi o subire danni.

Collegamento di Due Casse in Parallelo

Scenario:

• Amplificatore con potenza massima di 200 watt a 4 ohm.
• Due casse passive, ciascuna con impedenza di 8 ohm.

Collegamento:

• Colleghiamo le due casse in parallelo all'uscita dell'amplificatore.
• Impedenza totale: Per calcolare l'impedenza totale in parallelo, usiamo la formula:

Risultato:

• L'impedenza combinata delle due casse è di 4 ohm, quindi compatibile con l'uscita dell'amplificatore.
• Ogni cassa riceverà metà della potenza, quindi circa 100 watt ciascuna.

Considerazioni:
Questo setup funziona perché l'impedenza totale di 4 ohm rientra nei limiti dell’amplificatore. Tuttavia, l'amplificatore lavorerà al massimo della sua capacità, quindi è importante evitare sovraccarichi per periodi prolungati.

Esempio 2: Collegamento di Due Casse in Serie

Scenario:

• Amplificatore con potenza massima di 200 watt a 4 ohm.
• Due casse passive, ciascuna con impedenza di 8 ohm.

Collegamento:

• Colleghiamo le due casse in serie all'uscita dell'amplificatore.
• Impedenza totale: Per il collegamento in serie, l’impedenza totale è la somma delle impedenze delle due casse:

Risultato:

• L'impedenza totale diventa 16 ohm, più alta del valore ottimale per l’amplificatore.
• L’amplificatore, con un’impedenza così alta, erogherà meno potenza totale (in questo caso circa 50 watt) e, quindi, le casse riceveranno un volume ridotto.

Considerazioni:
Il suono risulterà meno potente poiché l’impedenza totale è troppo alta rispetto a quanto l'amplificatore può erogare al massimo delle prestazioni. Tuttavia, l'amplificatore lavorerà in modo molto sicuro e senza rischio di surriscaldamento.

Esempio 3: Collegamento di Quattro Casse (Serie-Parallelo)

Scenario:

• Amplificatore con potenza massima di 200 watt a 4 ohm.
• Quattro casse passive, ciascuna con impedenza di 8 ohm.

Collegamento:

• Colleghiamo le casse in configurazione serie-parallelo:
• Colleghiamo le prime due casse in parallelo, ottenendo 4 ohm.
• Colleghiamo le seconde due casse in parallelo, ottenendo 4 ohm.
• Colleghiamo le due gruppi risultanti in serie, ottenendo 8 ohm complessivi.

Risultato:

• L’impedenza finale è di 8 ohm, che è più alta del valore ottimale per l’amplificatore.
• Ogni cassa riceverà meno potenza rispetto a un setup con impedenza ottimale, ma l’amplificatore lavorerà in sicurezza.

Considerazioni:
Questo setup permette di utilizzare più casse in sicurezza senza sovraccaricare l'amplificatore, anche se il volume massimo sarà inferiore.

2.2 Il Subwoofer

Il subwoofer è progettato per gestire le basse frequenze (20-200 Hz) e fornisce profondità al suono. Richiede una potenza elevata e materiali robusti per mantenere la qualità del suono.

• Uso: Usato per creare impatto nelle basse frequenze, importante nei concerti e nel cinema.
• Tipologie: Frontali, down-firing e bass reflex, per una resa ottimale dei bassi.

2.3 Il Tweeter

Il tweeter è responsabile delle alte frequenze (da 2.000 Hz fino a 20.000 Hz), ed è solitamente realizzato con materiali leggeri per una risposta veloce.

• Uso: Garantisce chiarezza e dettaglio nelle alte frequenze.
• Tipologie: A cupola, a nastro, o a compressione, per una riproduzione ottimale delle alte frequenze.

3. Tipologie di Casse

Le casse possono essere classificate in base alla gamma di frequenze coperte e al tipo di amplificazione.

3.1.1 Full Range

Le casse full range coprono l'intero spettro sonoro, dai bassi agli alti, e sono ideali per impianti piccoli o per situazioni dove serve una soluzione unica. Sono composte da diversi driver, ognuno dedicato ad una fascia di frequenza ed un crossover interno che divide il segnale sui diversi driver.

• Uso: Ideali per ambienti medio-piccoli.
• Limitazioni: Non raggiungono la qualità di un sistema con subwoofer dedicato e tweeter separati.

3.1.2 Mid + Top Range

Le casse mid-top sono progettate per le frequenze medie e alte, solitamente utilizzate in combinazione con un subwoofer.

• Uso: Spesso usate in impianti professionali per dividere il segnale tra più diffusori.
• Vantaggi: Offrono una qualità superiore nel dettaglio e una gestione ottimale del suono.

3.2 Casse Attive e Passive

La distinzione principale tra casse attive e passive riguarda la necessità di un amplificatore esterno.

• Casse Attive: Contengono un amplificatore interno e richiedono un cavo di segnale ed un'alimentazione di corrente.
  • Vantaggi: Semplici da configurare e meno suscettibili alle interferenze.
  • Svantaggi: Se l’amplificatore si guasta, la cassa potrebbe diventare inutilizzabile; sono pesanti, avendo l’amplificatore al loro interno.
• Casse Passive: Necessitano di un amplificatore esterno e sono tipiche degli impianti professionali, necessitano solo di un cavo di potenza.
  • Vantaggi: Offrono flessibilità e componenti intercambiabili.
  • Svantaggi: Richiedono un amplificatore separato.

4. Configurazione di un Impianto Audio

4.1 Posizionamento

Il corretto posizionamento delle casse è essenziale per ottenere una copertura sonora uniforme e una buona qualità del suono nell’ambiente. La disposizione dipende da vari fattori, tra cui le caratteristiche di direzionalità delle frequenze, la tipologia di casse (direzionali o omnidirezionali) e la posizione dei microfoni.

Posizionamento in Base alle Alte e Basse Frequenze

Le alte e basse frequenze richiedono approcci di posizionamento diversi a causa delle loro caratteristiche di propagazione, principalmente legate alla lunghezza d'onda.

• Casse per alte frequenze (come i tweeter): Le alte frequenze hanno una lunghezza d’onda molto breve, il che le rende facilmente mascherabili dagli ostacoli presenti nell’ambiente, come il pubblico nelle prime file. Per questo motivo, le casse dedicate alle alte frequenze sono generalmente posizionate in alto, sopra le teste degli spettatori, in modo che il suono possa propagarsi in modo diretto fino alle file più posteriori senza essere bloccato. Se le casse fossero posizionate in basso, il pubblico nelle prime file potrebbe assorbire o bloccare il suono, impedendo alle alte frequenze di raggiungere le persone sedute o in piedi più lontano.
• Casse per basse frequenze (come i subwoofer): Al contrario, le basse frequenze hanno una lunghezza d'onda molto lunga, che consente loro di superare agevolmente gli ostacoli e propagarsi in tutte le direzioni. Questo significa che i subwoofer possono essere posizionati a terra senza rischio che il suono venga bloccato dal pubblico o da altre strutture. In effetti, posizionare i subwoofer a terra è vantaggioso, poiché il pavimento può amplificare ulteriormente le basse frequenze attraverso l’effetto di "coupling" (accoppiamento) con la superficie, migliorando la resa dei bassi e la copertura uniforme in tutto l’ambiente.

Posizionamento in Base alla Posizione dei Microfoni

Quando si utilizzano microfoni in combinazione con casse, come in un ambiente live, il posizionamento delle casse deve tenere conto della posizione dei microfoni per evitare fenomeni indesiderati come il feedback:

• Casse frontali (Front of House): Devono essere posizionate in modo che il suono non rientri direttamente nei microfoni sul palco. In questo caso, le casse sono solitamente posizionate davanti e ai lati del palco, rivolte verso il pubblico, per ridurre la possibilità di catturare il suono dalle casse nei microfoni.
• Monitor di palco: I monitor, utilizzati per fornire un mix separato agli artisti, devono essere posizionati e angolati in modo che il suono sia diretto verso gli artisti e non verso il pubblico o altri microfoni. Solitamente sono rivolti in modo obliquo rispetto agli artisti, minimizzando il rischio di feedback e garantendo che ogni artista riceva una chiara riproduzione del suono.

Tipologie di Casse e Direzionalità

La direzionalità di una cassa varia a seconda del tipo di driver e della sua struttura, e influenza il modo in cui posizionare le casse per ottenere il miglior effetto possibile:

• Casse direzionali (come i tweeter e alcune mid-range): Queste casse hanno una dispersione più ristretta e richiedono un orientamento diretto verso il pubblico per garantire che le alte frequenze siano ben udibili. La loro disposizione deve considerare la copertura angolare per evitare zone d’ombra.
• Casse omnidirezionali (come i subwoofer): Avendo una dispersione più ampia e uniforme, queste casse sono ideali per la diffusione di frequenze basse che si propagano a 360 gradi. Il posizionamento dei subwoofer è meno critico rispetto ai tweeter, ma può essere ottimizzato sfruttando le riflessioni dell’ambiente o configurazioni particolari (come il "center subwoofer") per ottenere un bilanciamento ottimale delle basse frequenze in tutta l’area.

4.1.1 Sub + Teste

Questa configurazione utilizza subwoofer per le basse frequenze e casse mid-top per le frequenze medie e alte. È particolarmente comune in contesti live:

• Subwoofer: Posizionati vicino al palco o al centro per una diffusione dei bassi omogenea. I bassi, avendo lunghezze d’onda maggiori, possono essere posizionati centralmente senza creare interferenze significative.
• Teste (Mid-Top): Montate su supporti elevati o in punti strategici per diffondere il suono medio-alto in tutta l’area del pubblico, garantendo chiarezza e definizione.

4.1.2 Line Array

Il line array è un sistema costituito da una serie di casse montate in verticale. Questa configurazione è utilizzata in concerti e grandi eventi, poiché offre una copertura uniforme e riduce le interferenze:

• Disposizione verticale: I diffusori sono posizionati uno sopra l'altro, permettendo di concentrare il suono in aree specifiche.
• Vantaggi: Fornisce un suono uniforme anche a lunghe distanze, evitando sovrapposizioni sonore tra le casse.
• Controllo della direzionalità: Il line array riduce la dispersione laterale e permette di ottimizzare la copertura verticale, rendendolo ideale per stadi o aree ampie.

4.1.3 Esempio di Impianto Complesso

In un impianto complesso, come per un grande concerto o un evento sportivo, è comune combinare vari tipi di casse (subwoofer, line array, casse mid-top) per ottenere una copertura completa. Un esempio di configurazione:

• Subwoofer al centro del palco per distribuire uniformemente le basse frequenze.
• Line array montati ai lati del palco per coprire l'area del pubblico in modo uniforme.
• Casse di ritardo posizionate più lontano dal palco per compensare la distanza e fornire un suono sincronizzato nelle zone posteriori del pubblico.
• Front-fill posizionati a fronte palco, per coprire l’area frontale e le prime linee di pubblico.
• Side-fill posizionati ai lati del palco per coprire le aree più esterne dell’audience.

5. I Cablaggi

5.1 Cablaggi di Segnale per Casse Attive

I cablaggi di segnale sono utilizzati per trasportare il segnale audio a basse potenze, come nel caso delle casse attive.

• Cavi XLR o Jack TRS: Connessioni bilanciate, utilizzate per ridurre il rumore su lunghe distanze.

5.2 Cablaggi di Potenza

I cablaggi di potenza sono utilizzati per trasportare segnali ad alta potenza tra amplificatori e casse passive. Questi cavi devono essere robusti e progettati per evitare perdite di potenza o surriscaldamenti.

• SpeakON: È uno standard per i cablaggi di potenza in ambito professionale.

• Caratteristiche: Dotato di un meccanismo di bloccaggio sicuro che impedisce la disconnessione accidentale. Ha una struttura robusta per gestire alte correnti senza perdita di potenza.
• Configurazione: Disponibile in varianti a 2, 4 o 8 poli, permette di trasportare segnali multipli in un unico cavo, utile per casse bi-amplificate.
• Uso: Specifico per il collegamento tra amplificatori e casse passive, sia in ambienti live che in studio.

• EP5: Utilizzato in configurazioni che richiedono un singolo cavo per il trasporto di potenza e segnale.

• Caratteristiche: Un connettore a 5 pin che permette di trasportare più segnali verso una singola cassa. Ideale per configurazioni multi-driver, come sistemi a tre vie.
• Vantaggi: Consente di collegare più segnali (ad esempio, mid e top) in un unico cavo, riducendo il cablaggio necessario.
• Applicazioni: Tipicamente usato in impianti professionali per ottimizzare il trasporto di segnale e potenza, minimizzando i cavi sul palco e semplificando la configurazione.

6. Conclusioni

Al termine di questa lezione, i partecipanti avranno appreso i fondamenti delle casse, dalla loro costruzione e funzionamento alla configurazione di un impianto audio completo. La conoscenza dei cablaggi, sia di segnale che di potenza, è essenziale per garantire un funzionamento stabile e privo di interferenze nei sistemi audio.

Approfondimento: Delay di Fase e Impianti Multidriver

1. Introduzione al Delay di Fase

Il delay di fase, o ritardo temporale, è un fenomeno che si verifica quando segnali identici (come quelli trasmessi a diverse casse di un sistema) arrivano con lievi differenze di tempo agli ascoltatori. Questa discrepanza può causare:

• Perdita di chiarezza e definizione: soprattutto alle frequenze medio-alte, che diventano più difficili da distinguere.
• Cancellazione o amplificazione di alcune frequenze: per interferenza costruttiva o distruttiva, che crea picchi e valli nella risposta in frequenza.

2. Gestione del Delay nelle Configurazioni Line Array

Il line array richiede che tutte le casse emettano il suono in modo sincronizzato per evitare che il suono si attenui o si amplifichi in maniera indesiderata a causa delle differenze di fase.

• Controllo della fase e del delay: Utilizzando processori di segnale avanzati per sincronizzare le casse lungo la linea, è possibile regolare il delay per ogni cassa in modo che il suono arrivi al pubblico in modo coerente.
• Vantaggio acustico: Il corretto delay rende l’esperienza sonora più uniforme, anche a grandi distanze dal palco.

3. Configurazione Cardioide dei Subwoofer

La configurazione cardioide dei subwoofer è una tecnica usata per controllare la direzionalità delle basse frequenze, riducendo il suono emesso posteriormente e concentrando l’energia sonora frontalmente. Questa disposizione è particolarmente utile per evitare che i bassi si riflettano sul palco o nelle aree dietro il sistema, creando una copertura più pulita e focalizzata verso il pubblico.

Come configurare un array cardioide di subwoofer:

1. Posizionamento dei subwoofer: Solitamente si utilizzano almeno due o tre subwoofer per ottenere un pattern cardioide. I subwoofer vengono posizionati uno dietro l’altro (in linea) o in un formato a triangolo.
2. Delay temporale: Per creare il pattern cardioide, il subwoofer posteriore (quello più vicino al palco) viene ritardato di alcuni millisecondi, in modo da sincronizzarsi con il suono dei subwoofer anteriori. Ad esempio, se i subwoofer sono posizionati a una distanza di 1 metro l’uno dall’altro, è necessario applicare un delay di circa 3 ms al subwoofer posteriore.
3. Invertire la polarità: Per ottenere il massimo effetto cardioide, si può invertire la polarità del subwoofer posteriore rispetto a quelli anteriori, annullando così le onde sonore verso il retro. Questo crea una cancellazione del suono dietro l’impianto, limitando la diffusione delle basse frequenze al solo fronte del palco.

Vantaggi della configurazione cardioide:

• Riduzione del rumore di palco: con meno bassi diretti verso il palco, si evita che i microfoni captino il suono delle basse frequenze, migliorando la chiarezza del suono.
• Maggiore controllo delle basse frequenze: direzionando i bassi solo verso il pubblico, si ottiene una diffusione più precisa e meno interferenze causate dalle riflessioni.

4. Esempio di Delay Temporale delle Casse

In un impianto audio con casse distanziate, il delay temporale può aiutare a sincronizzare il suono affinché raggiunga il pubblico in modo uniforme. Se due casse sono posizionate a una distanza di 10 metri l'una dall'altra, e vogliamo allineare il suono proveniente da entrambe in un determinato punto, dobbiamo calcolare il tempo di ritardo basandoci sulla velocità del suono nell’aria.

Calcolo del ritardo temporale:

• La velocità del suono nell’aria è di circa 343 metri al secondo (m/s) a temperatura ambiente.
• Dividendo la distanza di 10 metri per la velocità del suono, otteniamo il tempo di ritardo:

Risultato: Per sincronizzare il suono delle casse, dovremmo applicare un delay di circa 29 millisecondi alla cassa più vicina all’ascoltatore o al punto di riferimento. Questo semplice esempio mostra come il delay temporale possa compensare la differenza di distanza tra le casse, garantendo che il suono arrivi nello stesso momento e migliorando così la coerenza del suono percepito dal pubblico.