SpicyTL 2.0
SpicyTL 2.0 è l’ultima evoluzione dell’ormai celebre modello di simulazione, basato sulla teoria dei circuiti elettrici, che consente di prevedere il comportamento elettro-acustico dei sistemi di altoparlanti a linea di trasmissione. Rispetto alle versioni precedenti è in grado di simulare anche le più complesse configurazioni di TL in modo rapido e intuitivo. Non vi è limite al numero di altoparlanti (anche diversi tra loro) e aperture che si possono inserire nel sistema. Gli altoparlanti possono essere caricati anche frontalmente con segmenti di TL. In SpicyTL 2.0 è possibile simulare più sistemi nello stesso foglio e farli all’occorrenza interagire tra loro. 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 degli altoparlanti e velocità dell’aria all’apertura. Il software include i modelli di altoparlanti a doppia bobina e radiatori passivi. Il programma di simulazione circuitale utilizzato è LTspice della Linear Technology.
SpicyTL 2.0 è disponibile per il download nello SHOP.
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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 2.0
Aprire il modello “01-SpicyTL-Default.asc”.
Parametri globali
I parametri globali si trovano nel circuito principale e tra questi troviamo anche i parametri degli altoparlanti e del radiatore passivo. 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. 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.
Lista dei parametri locali:
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_load: area del cono, area dell’apertura (cm²);
Lenght: lunghezza di un segmento (m);
Panel_THK: spessore del pannello interno in corrispondenza di una piega (mm);
Vol: volume (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 (π 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 possono essere affiancati in orizzontale o, se previsto, in verticale; una volta affiancati, si collegano automaticamente. Se una configurazione particolarmente complessa lo rendesse necessario i blocchi possono essere collegati con il comando Wire. Ad esclusione dell’altoparlante, che deve essere sempre collegato a un amplificatore (o eventualmente cortocircuitato) i blocchi scollegati e inutilizzati possono essere lasciati sul foglio principale.
Di seguito una panoramica degli strumenti e dei blocchi presenti in SpicyTL 2.0:
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
Speaker
I blocchi Speaker rappresentano il circuito equivalente delle componenti elettriche, meccaniche e acustiche dell’altoparlante. Gli altoparlanti sono denominati “Speaker A” e “Speaker B” e ciascuno ha il suo set di parametri. Non c’è un limite al numero di altoparlanti che si possono inserire nel sistema, se non quelli relativi al numero di etichette SPL disponibili (10 per ogni sistema). E’ comunque possibile editare in modo molto semplice le ulteriori etichette eventualmente necessarie. La presenza di un nodo sul lato superiore del blocco lascia intuire che l’altoparlante può essere caricato anche frontalmente.
E’ disponibile un blocco “Speaker A_WG” (il più a destra nell’immagine); rispetto al blocco Speaker è graficamente più intuitivo da utilizzare qualora si volesse montare l’altoparlante all’interno di una guida d’onda. Questo altoparlante utilizza ovviamente i parametri dello “Speaker A”. Applicando un’etichetta sul nodo CV è possibile visualizzare la velocità meccanica del cono. I parametri sono definiti globalmente nel foglio principale.
Dual Voice Coil Speaker
Come suggerisce il nome, rappresenta il circuito equivalente delle componenti elettriche, meccaniche e acustiche di un altoparlante a doppia bobina. Anche questo altoparlante può essere caricato frontalmente e utilizzato un numero illimitato di volte all’interno del sistema. I parametri sono quelli del driver A.
Passive Radiator
Rappresenta il circuito equivalente delle componenti meccaniche e acustiche di un radiatore passivo. Si possono inserire più radiatori passivi all’interno dello stesso sistema; i parametri sono definiti globalmente nel foglio principale.
Line
Rappresenta un segmento di TL a sezione costante, crescente, o decrescente .
I parametri locali di default sono:
S_0=100 S_1=100 Lenght=1 S_foam=0
Load
Il blocco “Acoustic load” rappresenta il modello acustico del carico dell’aria sul cono o sull’apertura; all’interno del blocco viene automaticamente applicata la end correction. A livello pratico serve per visualizzare (sempre per mezzo delle opportune etichette) la velocità dell’aria (all’apertura, o sulla superficie del cono; quest’ultima corrisponde anche alla velocità meccanica del cono) e la SPL (dell’altoparlante o dell’apertura). Il blocco deve essere applicato su tutte le aperture e sugli altoparlanti che si affacciano all’esterno della TL.
L’unico parametro locale è la superficie (del cono o dell’apertura) in cm²:
S_load=100
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
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
Closed
Il blocco “closed” chiude la TL con un pannello. E’ anche utile per simulare casse chiuse o bass-reflex con geometrie particolari, tenendo conto delle riflessioni interne sul lato più lungo.
Non ci sono parametri locali da inserire.
Junctions
Sono disponibili diversi tipi di giunzione, molto comodi per realizzare configurazioni particolarmente complesse. Questi blocchi sono adimensionali e non richiedono l’inserimento di parametri locali. Le giunzioni possono essere sostituite da collegamenti elettrici (strumento Wire). Di seguito un esempio di utilizzo in una tapped horn ripiegata; da notare che l’altoparlante si affaccia frontalmente sulla TL.
Integrated TL, Integrated WG
Sono infine presenti due tipi di blocchi “Integrated” (TL e WG). Questi blocchi potrebbero essere costruiti con un altoparlante e due sezioni di TL, ma presentano il vantaggio di calcolare automaticamente la sezione della TL (nel caso di tubi tapered o expanding) nel punto dove è montato l’altoparlante.
Labels
Le etichette servono sostanzialmente per prelevare i segnali elaborati all’interno dei blocchi. Una volta posizionate nei punti indicati è possibile (utilizzando lo strumento Probe) visualizzare graficamente le simulazioni di risposta in frequenza (altoparlanti, aperture e sistemi completi), risposta in fase, ritardo di gruppo, impedenza elettrica, escursione del cono dell’altoparlante e velocità dell’aria all’uscita della TL.
Ci sono tre tipi di etichette: SPL (relative ovviamente alla simulazione della pressione sonora), X (relative all’escursione del cono) e infine AV (relative alla velocità dell’aria all’apertura).
Le etichette possono essere editate al momento o copiate dagli appositi set di etichette:
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 su una delle etichette “SPL”. 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 sull’etichetta “X”. Il valore in millivolt corrisponde al valore rms dell’escursione in millimetri dell’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 sull’etichetta “AV”. 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 ed è possibile 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