SpicyTL 1.7
Introduzione
SpicyTL è un modello di simulazione, basato sulla teoria dei circuiti elettrici, che consente di prevedere il comportamento elettro-acustico dei sistemi di altoparlanti caricati a linea di trasmissione. E’ l’evoluzione del modello AIRDAMP, il cui sviluppo, e i principi che ne consentono il funzionamento, è illustrato nell’articolo Progettare una linea di trasmissione utilizzando SPICE, pubblicato sui numeri 408, 409 e 410 (aprile, maggio e giugno 2019) di AUDIOreview. Rispetto a quest’ultimo, SpicyTL ha una struttura modulare composta da svariati “blocchi” acustici ed è in grado di simulare anche TL a sezione crescente e decrescente (tapered ed expanding).
I collegamenti acustici tra i vari blocchi avvengono su una linea orizzontale mentre amplificatore e altoparlante sono collegati verticalmente.
Il modello, particolarmente indicato per progettare TL smorzate con schiuma poliuretanica (foam), consente di simulare risposta in frequenza, risposta in fase, ritardo di gruppo, impedenza elettrica, escursione del cono dell’altoparlante e velocità dell’aria all’uscita della TL.
Il programma di simulazione circuitale utilizzato è LTspice della Linear Technology.
Forum di discussione (lingua inglese)
Operazioni preliminari
Scaricare il software freeware LTspice al seguente indirizzo:
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
Installare LTspice.
Scaricare SpicyTL:
Aprire il modello “01-SpicyTL-Default.asc”.
Consiglio di attivare la visualizzazione della griglia: selezionare nel menu in alto a sinistra Tools>Control Panel>Drafting Options e spuntare Show schematic grid points. L’opzione viene salvata e non sarà necessario ripetere l’operazione.
Parametri globali
I parametri globali, ovvero che si trasferiscono potenzialmente a tutti i sotto-circuiti (blocchi) di SpicyTL, si trovano nel circuito principale. Tra questi troviamo anche i parametri dell’altoparlante, che sono quindi validi anche per altri altoparlanti eventualmente presenti nel sistema.
Un altro parametro globale è la larghezza interna della TL, “Line_width”, che serve per calcolare automaticamente la lunghezza di eventuali pieghe ad angolo.
Abbiamo infine i parametri che descrivono alcune proprietà fisiche dell’aria e dei materiali assorbenti utilizzati (maggiori informazioni in questa sezione). Dove non diversamente specificato, le grandezze sono espresse con le unità di misura del Sistema Internazionale.
Parametri locali
Si inseriscono facendo clic-destro sul blocco (sotto-circuito) che si intende configurare e sono validi solo per quel blocco. I valori vanno inseriti nell’apposita riga PARAMS: e sostituiscono i valori di default. Un blocco che viene copiato dopo l’inserimento dei parametri conserva i parametri inseriti precedentemente.
I parametri locali sono:
S_0: area della sezione iniziale di un segmento (cm²);
S_1: area della sezione finale di un segmento (cm²);
SL: area della sezione di un segmento dritto; area della sezione iniziale (e finale) di una piega a 90°; area della sezione centrale di una piega a 180° (cm²);
S_in: area della sezione iniziale di una piega a 180° (cm²);
S_out: area della sezione finale di una piega a 180° (cm²);
S_foam: area della sezione occupata dal foam (cm²);
S_end: area dell’apertura (cm²);
Lenght: lunghezza di un segmento (m);
offset: distanza tra l’asse centrale dell’altoparlante e l’inizio della TL (m);
Panel_THK: spessore del pannello interno in corrispondenza di una piega (mm);
Vol: volume della camera di accoppiamento (L);
output: ampiezza dello sweep sinusoidale (default: 2,83 volt rms);
RG: resistenza di uscita dell’amplificatore (default: 0,1 ohm);
dist: distanza di misura della SPL (m)
ang: angolo di radiazione ( steradianti)
D_port: diametro del tubo (cm)
L_port: lunghezza del tubo (cm)
steradianti)Inserire un blocco
Cliccare sul pulsante Component presente nella barra degli strumenti e selezionare la directory di lavoro di SpicyTL dal menu a tendina Top Directory. Selezionare il blocco desiderato e posizionarlo nel foglio principale facendo clic sinistro col mouse. Il blocco può essere mosso, trascinato, copiato o eliminato come un qualsiasi altro componente utilizzando gli appositi strumenti di LTspice. I blocchi devono essere affiancati in orizzontale a partire dal “test_point”; una volta affiancati, si collegano automaticamente. Dalla versione 1.5 i blocchi scollegati e inutilizzati possono essere lasciati sul foglio principale.
Di seguito sono descritti i blocchi disponibili in SpicyTL ver. 1.7
test_point
E’ il blocco fondamentale di SpicyTL: contiene tutti gli strumenti di misura e non dovrebbe mai essere rimosso dal circuito principale. Include i parametri “dist” e “ang” che definiscono rispettivamente la distanza di misura della SPL in metri e l’angolo di radiazione in pi-greco steradianti.
Le etichette posizionate sulla parte superiore del blocco fungono da test point per la misura della SPL dei singoli altoparlanti, dell’apertura o dell’intero sistema. La visualizzazione deve essere impostata su Decibel.
Le etichette posizionate sulla parte inferiore forniscono la misura dell’escursione del cono dei singoli altoparlanti (in mm, valore rms) e della velocità dell’aria all’apertura (m/s). La visualizzazione deve essere impostata su Linear.
integratedTL
Consente di simulare il comportamento di una TL a sezione costante, crescente o decrescente. Include un altoparlante che può essere montato all’inizio della TL o spostato a piacere lungo la stessa definendo un valore di offset. E’ uno strumento molto pratico per fare una prima simulazione e fornisce risultati immediatamente utilizzabili. I parametri locali (valori di default) sono i seguenti:
S_0=100 S_1=100 S_foam=0 Offset=0 Lenght=1 Vol=0
Il parametro “Vol” permette di simulare in modo semplice ed efficace la presenza di una eventuale camera di accoppiamento tra woofer e TL. Il parametro “Lenght” definisce la lunghezza totale della TL, compreso l’eventuale offset del driver.
Il blocco integratedTL deve essere terminato con un’apertura (blocco “open_end”) o un pannello chiuso (blocco “closed_end”) e deve essere collegato a un amplificatore.
amplifier
E’ un blocco esclusivamente elettrico e non contiene componenti acustiche. Non si tratta propriamente di un amplificatore, ma piuttosto di un generatore di funzioni adatto a testare il sistema. Il blocco contiene ora un comodo strumento che consente di visualizzare molto rapidamente la curva di impedenza dell’altoparlante senza la necessità di scrivere espressioni nel post processore grafico di LTspice; la procedura è spiegata più in basso nell’apposita sezione.
I parametri locali sono:
output=2.83 RG=0.1
offset_foam
Rappresenta il segmento di TL compreso tra l’asse centrale dell’altoparlante e l’inizio della TL. Può essere a sezione costante, crescente o decrescente. Se non si sta usando il blocco “integratedTL” questo è generalmente il primo componente da collegare al test_point; alternativamente, se la TL da simulare non presenta alcun valore di offset, si può collegare direttamente un altoparlante.
I parametri locali sono:
S_0=100 S_1=100 Lenght=0.20 S_foam=0
speaker1, speaker2, speaker 3, speaker 4
E’ il circuito equivalente delle componenti elettriche, meccaniche e acustiche dell’altoparlante. Include il carico acustico dell’aria sulla membrana dell’altoparlante. I parametri sono definiti globalmente nel circuito principale. E’ possibile progettare un sistema con quattro altoparlanti, tra loro identici, ma con posizioni differenti lungo la TL.
straight_foam
Rappresenta un segmento di TL dritto.
I parametri locali sono:
SL=100 Lenght=1 S_foam=0
tapered_foam
Rappresenta un segmento di TL a sezione decrescente.
I parametri locali sono:
S_0=100 S_1=80 Lenght=1 S_foam=0
expanding_foam
Rappresenta un segmento di TL a sezione crescente.
I parametri locali sono:
S_0=80 S_1=100 Lenght=1 S_foam=0
I blocchi “tapered_foam” ed “expanding_foam” sono identici a livello circuitale e possono simulare segmenti di TL dritti, crescenti o decrescenti. I simboli dei blocchi sono invece diversificati per poter più facilmente identificare la conformazione della linea di trasmissione.
volume
Se posizionato accanto a un altoparlante consente di valutare in modo rapido l’effetto di una camera di accoppiamento. Se non si aggiungono altri blocchi acustici oltre al driver, può simulare efficacemente il carico di una cassa chiusa.
L’unico parametro locale è il volume, espresso in litri:
Vol=0
A differenza degli altri blocchi acustici è modellato da un circuito a parametri concentrati e non può quindi fornire informazioni sulle riflessioni interne al box.
90bend
Rappresenta una piega a 90° nella TL. La variazione di sezione nella piega viene calcolata a partire dall’area della sezione di ingresso “SL” e dal parametro globale “line_width”; quest’ultimo serve anche per calcolare automaticamente la lunghezza del segmento. Nella lunghezza totale può essere aggiunto lo spessore del pannello interno in mm.
Nel blocco “90bend” l’area della sezione di ingresso è uguale all’area della sezione di uscita.
I parametri locali sono:
SL=100 S_foam=0 Panel_THK=0
180bend
Rappresenta una piega a 180° nella TL. La variazione di sezione nella piega viene calcolata a partire dall’area della sezione di ingresso “S_in”, dall’area della sezione centrale “SL”, dall’area della sezione d’uscita “S_out” e dal parametro globale “line_width”; quest’ultimo, come nel blocco “90bend”, serve anche per calcolare automaticamente la lunghezza del segmento. Alla lunghezza totale può essere aggiunto lo spessore del pannello interno.
I parametri locali sono:
S_in=100 SL=100 S_out=100 S_foam=0 panel_THK=0
open_end
Il blocco “open_end” corregge la lunghezza acustica della TL e applica il carico acustico all’apertura. Rileva inoltre la velocità di volume all’apertura e invia il dato al blocco “Test-point” per la misura della SPL e della velocità dell’aria.
L’unico parametro locale è l’area dell’apertura:
S_end=100
closed_end
Il blocco “closed_end” chiude la TL con un pannello. E’ anche utile per simulare casse chiuse con geometrie particolari tenendo conto delle riflessioni interne sul lato più lungo.
Non ci sono parametri locali da inserire.
port
Il blocco “port” consente di simulare l’effetto di un’apertura lungo la TL. Posto vicino ad un blocco “vol” permette di modellare molto rapidamente una cassa bass-reflex.
I parametri da inserire sono il diametro del tubo, la lunghezza del tubo, il volume totale interno della cassa e il fattore di merito del mobile:
D_port=10 L_port=10 Vbox=30 Qbox=5
Lanciare una simulazione
Cliccando sul comando Run si apre la finestra di visualizzazione grafica (probe). Raccomando di attivare la visualizzazione del reticolo cartesiano: fare clic destro sul grafico e selezionare View; nel sottomenu spuntare Grid. L’opzione viene salvata.
In automatico viene visualizzata la risposta in frequenza del sistema.
Dopo ogni modifica ai parametri occorre lanciare il comando Run.
Simulazione della SPL
Posizionare la sonda sul test point “SPL_” desiderato. Se necessario, modificare la visualizzazione dell’asse verticale: posizionare il mouse sull’asse verticale sinistro del grafico e fare clic destro. Selezionare nel menu a tendina la rappresentazione Bode e spuntare Decibel.
Simulazione dell'escursione del cono
Posizionare la sonda su uno dei test point “x_”. Il valore in millivolt corrisponde al valore rms dell’escursione in millimetri del rispettivo altoparlante. Se necessario, modificare la visualizzazione dell’asse verticale: posizionare il mouse sull’asse verticale sinistro del grafico e fare clic destro. Selezionare nel menu a tendina la rappresentazione Bode e spuntare Linear.
Simulazione della velocità dell'aria all'apertura
Posizionare la sonda sul test point “PORT_SPEED”. Il valore in volt corrisponde alla velocità dell’aria in m/s.
La visualizzazione dell’asse verticale deve essere impostata su Bode e Linear.
Simulazione della curva di impedenza
Dopo aver lanciato una simulazione con il comando Run occorre individuare il nome assegnato da LTspice ai punti (nodi) dove andremo a rilevare la tensione e la corrente di uscita dell’amplificatore. Per fare ciò dobbiamo trascinare leggermente verso il basso l’amplificatore con la manina chiusa (drag); i fili di collegamento con l’altoparlante si scoprono e si ridimensionano automaticamente. Disattiviamo la manina facendo clic destro e posizioniamo il cursore (sonda del voltmetro) sul filo del positivo. Clicchiamo e annotiamo il nome della traccia che compare, ad esempio V(n001). Spostiamo poi il cursore sull’uscita “+” dell’amplificatore: la sonda diventa un amperometro e cliccando compare un’altra traccia. Annotiamo il nome, ad esempio Ix(x4:+). Ora possiamo eliminare le tracce di tensione e corrente appena generate e digitare l’espressione corretta per la visualizzazione dell’impedenza: facciamo clic destro del mouse sul riquadro e selezioniamo “Add Traces”. Nella riga “Expression(s) to add:” digitiamo (in questo caso): V(n001)/-Ix(x4:+).
Il grafico della curva di impedenza può ora essere ottenuto utilizzando lo strumento incorporato nel blocco “amplifier”; per utilizzare lo strumento occorre ruotare di 180° il blocco e collegarlo all’altoparlante attraverso la connessione “impedance TEST”. Dopo aver lanciato la simulazione, la sonda posta sul filo (e non sul nodo) positivo dell’altoparlante restituisce la curva di impedenza. Trattandosi di misura di tensione, il valore viene restituito in volt anziché in ohm.
La visualizzazione dell’asse verticale deve essere impostata su Bode e Linear.
Parametri del materiale assorbente
In SpicyTL è possibile intervenire su diversi parametri che descrivono le proprietà fisiche dell’aria e dei materiali; dalla versione 1.4 si può anche definire in modo molto accurato il comportamento del materiale assorbente al variare della frequenza grazie all’effetto combinato dei parametri DENS e K1.
Il primo parametro rappresenta la densità del materiale assorbente in Kg/m³ mentre il secondo (K_1 per il foam e K_2 per la fibra) definisce la pendenza del roll-off alle alte frequenze.
Nei grafici seguenti si può vedere l’effetto dei singoli parametri e il loro effetto combinato (DENS 25, 30, 35 kg/m³ e K_1 200, 300, 400).
Andrea Rubino