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Altoparlante

Altoparlante: prefazione

Questa sezione è un po' fuori tema visto l'argomento trattato, tuttavia abbiamo ritenuto opportuno fare una trattazione di questi dispositivi in quanto la loro tipologia e le loro caratteristiche influenzano la progettazione delle casse acustiche e di conseguenza degli amplificatori finali, in modo determinante.
Quindi con l'intento di rendere una visione d'insieme il più completa possibile li trattiamo in questo capitolo.
La trattazione che faremo sarà abbastanza approfondita, reputiamo fondamentale comprendere correttamente il funzionamento di questi dispositivi, nell'ottica della progettazione degli amplificatori che li devono pilotare.
Questo capitolo è fondamentale per comprendere il funzionamento delle casse acustiche (che tratteremo in un altro capitolo) che comportano un ulteriore grado di complessità per la presenza di più altoparlanti (normalmente due, tre o più) e di un filtro separatore di toni (filtro crossover).
Per le tipologie di altoparlante meno diffuse accenneremo il meccanismo di funzionamento, difficilmente vi capiterà di doverli impiegare e tanto meno progettare un amplificatore che li pilota, tuttavia è d'obbligo almeno sapere che esistono e comprenderne a sommi capi i principi di funzionamento.

Altoparlante su scheda madre computer

Esempio di altoparlante: altoparlante inserito sulla scheda madre di un pc.

Altoparlante: di cosa si tratta

L'altoparlante è l'ultimo anello della catena di amplificazione, il trasduttore che converte il segnale elettrico amplificato in onde sonore.
Sono realizzati da un motore lineare che muove una membrana che a sua volta muove l'aria producendo onde sonore proporzionali alla potenza elettrica impiegata.
Le caratteristiche dell'altoparlante, come la massa della membrana, la sensibilità, il rendimento e l'impedenza influenzano la progettazione degli amplificatori finali.
Normalmente l' altoparlante è una macchina elettrica reversibile ovvero trasforma una grandezza elettrica in suono ma anche viceversa.
Quindi gli altoparlanti possono essere usati come microfoni, anche se ovviamente non sono costruiti con questo intento e in questo tipo di utilizzo normalmente non sono il massimo.

Limiti intrinseci dell'altoparlante

L'altoparlante è una macchina elettrica sulla quale è impossibile (almeno per ora) introdurre un sistema di feedback, ovvero non vi è la possibilità di introdurre una reazione tale da compensare problemi di distorsione o linearità.
Quindi è un sistema in anello aperto non controreazionato e deve essere quindi intrinsecamente lineare e realizzato a regola d'arte.

Altoparlante: cenni storici

La nascita dell'altoparlante è stata una diretta conseguenza della nascita del telefono.
Uno dei primi dispositivi assimilabili ad un altoparlante fu infatti inserito da Johann Philipp Reis (prima ancora di Alexander Graham Bell ) nel suo telefono nel 1861.
L'altoparlante con la bobina mobile immersa in un campo magnetico si deve a Oliver Joseph Lodge ed è datato 1898.
La prima applicazione pratica dell'altoparlante a bobina mobile risale al 1915 si deve a Peter L.
Jensen e Edwin Pridham.
I primi altoparlanti di questo tipo erano elettrodinamici, ovvero il campo magnetico fisso era prodotto da una bobina percorsa da corrente (detta bobina di campo) in quanto all'epoca non erano disponibili grossi magneti ad un prezzo basso.

Altoparlante telefonico moderno

Ai lati due foto dello stesso altoparlante telefonico, ricavato da un telefono di tipo attuale.
Si può notare la membrana in plastica (trasparente) per resistere all'umidità (il telefono era un cordless).
Grazie alla trasparenza della membrana si può intravedere l'avvolgimento della bobina mobile.
L'impedenza di questo altoparlante (vedi scritta sul retro, nella foto a sinistra) è insolitamente alta per un altoparlante (32 Ohm) mentre la potenza è abbastanza ridotta (0,25Watt).
Del resto lavorando molto vicino all'orecchio non serve molta potenza.

Altoparlante telefonico moderno

Altoparlante: varie tipologie in funzione della frequenza riprodotta

In linea di massima tale dispositivo non è in grado di riprodurre l’intero spettro delle frequenze udibili.
Ciò perché per riprodurre le frequenze alte è necessario muovere poca aria ma con elevati valori di accelerazione e quindi occorre un diffusore piccolo e leggero dotato di una membrana leggera, con una massa ridotta al minimo.
Viceversa per riprodurre le frequenze basse è necessario muovere volumi d’aria sempre maggiori man mano che diminuisce la frequenza e quindi occorre un diffusore grande e capace di una ampia escursione e di un notevole diametro.
Per riprodurre correttamente l’intero spettro udibile è conveniente devolvere il compito della riproduzione delle principali bande di frequenza (bassa, media e alta) a singoli dispositivi dedicati realizzati con specifiche diverse (sub-woofer, woofer, medi, tweeter e super-tweeter).
Un'eccezione a quanto detto finora sono gli altoparlanti a larga banda che sono progettati per riprodurre tutta la gamma delle frequenze acustiche.

A destra la foto di un Woofer con sospensione della membrana in foam. 1) Parapolvere 2) Membrana 3) Crepa nella sospensione in foam della membrana probabilmente dovuta all'invecchiamento del materiale, 4) Vite di Fissaggio 5) Sospensione della membrana

Altoparlante Woofer

In linea di massima in funzione della frequenza riprodotta abbiamo dunque i seguenti tipi con le relative frequenze riprodotte (le frequenze sono puramente indicative):

  • SubWoofer (da 20 a 120Hz)
  • Woofer (da 120 a 2KHz)
  • MidRange (da 2-3KHz a 6-10KHz)
  • Tweeter (da 6-8Khz a 16-20Khz)
  • SuperTweeter (oltre i 18KHz)

A destra la foto di un tweeter a cupola in titanio della JBL.
Il titanio è usato per la membrana a cupola in quanto straordinariamente leggero e rigido allo stesso tempo.

Altoparlante Tweteer Titanio della JBL

Altoparlante: varie tipologie in funzione del tipo di motore lineare impiegato

Gli altoparlanti in funzione del principio fisico usato per produrre la forza che muove l'aria si possono dividere nelle seguenti categorie, messe in ordine di diffusione sul mercato:

Altoparlante tondo

In realtà il mercato è dominato dal primo tipo menzionato ovvero gli altoparlanti magnetodinamici (di cui si può vedere un esempio nell'immagine sulla destra che ritrae la parte posteriore e sulla sinistra la parte anteriore di un altoparlante di piccole dimensioni e di basso costo) nei quali il motore lineare è costituito da un magnete permanente di grande potenza, quasi sempre in neodimio, e da una bobina mobile percorsa dalla corrente del segnale che vogliamo trasdurre immersa nel campo magnetico del magnete permanente.
La sospensione della membrana è realizzata piegando la stessa carta impregnata della membrana.

Altoparlante tondo

Altoparlante magnetodinamico

Altoparlante Ellittico

Esempio di altoparlante magnetodinamico ellittico di piccole dimensioni e di basso costo, comunemente impiegato in radio o apparati a basso costo.
La sospensione della membrana è realizzata in tela impregnata come del resto anche la membrana stessa (sono ricavare da un pezzo unico per stampaggio).

Altoparlante Ellittico

NOTA: i terminali dietro l'altoparlante sono contrassegnati da due simboli (+ e -) oppure da un puntino che può essere di vari colori (in genere rosso) che contrassegna il polo positivo.
Questo serve, in caso si usino più altoparlanti per metterli in fase, in modo che si muovano tutti in modo sincrono quando alimentati (in pratica applicando il polo positivo di una batteria al + dell'altoparlante la membrana deve muoversi in fuori ovvero produrre una pressione, viceversa invertendo la polarità deve produrre una depressione).
Di solito la resistenza della bobina mobile di un altoparlante di questo tipo è di 4Ω per i modelli destinati ad essere montati nella automobili e 8Ω per tutti i modelli destinati alle casse acustiche da casa.

Struttura di un altoparlante magnetodinamico

1) Cestello: Si tratta della struttura portante di tutto l'altoparlante, su di esso sono fissati sia il magnete che la parte mobile.
Sulla circonferenza esterna sono di solito presenti dei fori di fissaggio che servono per fissarlo con delle viti alla struttura della cassa acustica.
Normalmente è realizzato per stampaggio con lamiera d'acciaio o in alluminio pressofuso.
Deve essere il più rigido e indeformabile possibile.
2) Sospensione della membrana: la sua funzione è quella di ancorare la membrana al cestello permettendone il movimento e mantenendola perfettamente centrata.
Costituisce una sorta di molla che riporta la membrana nella zona di riposo in assenza di segnale applicato alla bobina.
In queste funzioni lavora in sinergia con il centratore.
E' realizzata in diversi materiali come foam, gomma, tessuto o carta gommata.
Non deve permettere il passaggio di aria.
Ha una durata che di solito è compresa fra i 10 e i 20 anni, poi va sostituita.
Quando è nuova è più rigida e l'altoparlante per funzionare al meglio deve essere sottoposto a rodaggio.
3) Centratore: il centratore collabora con la sospensione della membrana per mantenere la bobina mobile perfettamente centrata sul traferro, in modo da non avere interferenze meccaniche che porterebbero al danneggiamento della bobina mobile per sfregamento sul polo centrale.
L'effetto molla del centratore e della sospensione della membrana determina un parametro dell'altoparlante detto "cedevolezza" che insieme alla massa mobile determina la frequenza di risonanza dell'altoparlante.
4) Membrana: la membrana è praticamente il diaframma che spostandosi determina la compressione e la rarefazione dell'aria, in altre parole con il suo movimento crea le onde sonore.
La membrana deve essere leggera, rigida e smorzata (per non innescare effetti di risonanza) ed è realizzata in carta, fibra di carbonio, grafite polimerica e anche fibra di legno.
E' la parte che più ha risentito dell'evoluzione dei materiali.
La forma, il peso e le dimensioni unitamente alla rigidità determinano la risposta in frequenza dell'altoparlante e la banda passante.
Negli altoparlanti a range esteso, che cioè possono riprodurre una più ampia gamma di frequenze la membrana ha una rigidità differenziata in modo che alle frequenze più alte si muova solo la parte centrale che è più morbida, quella direttamente collegata alla bobina mobile.
5) Bobina mobile: e' costituita da un supporto su cui è avvolto un filo di materiale conduttore isolato.
La parte portante può essere realizzata in carta, fibra di vetro o altre fibre, sempre di materiale rigorosamente isolante.
L'avvolgimento normalmente è di rame smaltato di sezione molto fine, gli estremi dell'avvolgimento sono ancorati alla membrana con colla o resina e poi collegati con delle cordine flessibili in rame ai morsetti elettrici dell'altoparlante.
Il nome "bobina mobile" si deve al fatto che è in grado di muoversi e si sposta in funzione della corrente e del verso della corrente che la attraversa, producendo un campo magnetico che interagisce con quello fisso generato dal magnete.
6) Parapolvere: si tratta di una copertura a forma di calotta che evita il passaggio di polvere che potrebbe depositarsi fra la bobina mobile e il nucleo centrale danneggiandoli.
7) Magnete: è il magnete permanente che genera il campo magnetico fisso che viene poi indirizzato dalle piastre polari e dal polo centrale che costituiscono un circuito magnetico.
E' fabbricato in terre rare come neodimio e affini.
8) Piastra polare: realizza una parte del circuito magnetico, si affaccia sulla bobina mobile che di fatto si trova nel traferro fra piastra polare e nucleo centrale.
E' di materiale con alta permeabilità magnetica, di solito in ferro dolce.
9) Polo centrale: convoglia il flusso magnetico proveniente dalla piastra esterna verso la piastra polare, è sormontato dalla bobina mobile.
E' realizzata in materiale con alta permeabilità magnetica, di solito in ferro dolce.
10) Piastra esterna: Serve per chiudere il circuito magnetico, è di materiale con alta permeabilità magnetica, di solito in ferro dolce.

Altoparlante, elementi costitutivi
Parti costituenti altoparlante
Altoparlante, elementi costitutivi
Altoparlante, elementi costitutivi

NOTA: Sulla membrana (4) si notano solitamente due fili affogati in colla o resina.
Sono i fili della bobina mobile che vanno da quest'ultima ai terminali dell'altoparlante, necessari per collegarlo all'amplificatore o, nel caso di un sistema a più vie, al filtro crossover.
Questi fili fanno solitamente capo ad una morsettiera posta sul lato posteriore, collegata ai fili visibili sulla membrana con un tipo di filo particolarmente flessibile di rame (per evitare che con l'andare del tempo sottoposto a continuo movimento si spezzi).

Altoparlante ellittico

Ci sono alcuni altoparlanti che differiscono leggermente da quanto descritto in precedenza per la presenza di un anello di corto circuito magnetico in alluminio (Aluring) o altro materiale conduttore coassiale e solidale con la bobina mobile che serve come freno dinamico per avere un maggior controllo del movimento dell'altoparlante.
Nel caso dell'aluring si tratta di un brevetto Peerless.
Questi sistemi migliorano lo smorzamento ma peggiorano la resa dell'altoparlante (per fare un esempio è come giudare l'automobile con il freno azionato).
Un'altra caratteristica abbastanza comune negli altoparlanti impiegati in prossimità di dispositivi sensibili ai campi magnetici (come ad esempio i cinescopi delle televisioni vecchia maniera) è la schermatura magnetica (vedi disegno a destra), che consiste in una calotta di materiale con un'alta permeabilità magnetica posto a copertura del gruppo magnetico posteriore (magnete + piastra esterna).
La funzione è quella di convogliare le linee di flusso magnetico generate dai campi magnetici dispersi in prossimità del magnete e della piastra esterna in modo che non possano interagire con dispositivi esterni.

Casi particolari: altoparlante magnetodinamico a doppia bobina

Si tratta di un altoparlante che ha due bobine mobili perfettamente uguali ed isolate fra loro avvolte sullo stesso supporto.
Si tratta di una speciale configurazione di solito utilizzata nei sub-woofer, in pratica le due bobine mobili fanno capo ai due canali dell'amplificatore stereo e sommano la potenza di questi due.
Questo per due motivi: 1) i bassi di solito sono in fase e presenti in egual modo sui due canali, 2) i bassi non sono direttivi, quindi possono essere riprodotti dalla stessa fonte perché non partecipano alla formazione dell'immagine sonora tridimensionale.
Una variazione sul tema consiste nell'usare due altoparlanti distinti ma accoppiati, praticamente montati uno di fronte all'altro, essendo a queste frequenze particolarmente basse ininfluente la massa della parte mobile degli altoparlanti.

Altoparlante Schermato in sezione

Altoparlante elettrodinamico

In questo tipo di altoparlanti il campo magnetico fisso è prodotto da una bobina invece che da un magnete permanente.
La bobina in oggetto aveva il doppio scopo di fornire il campo magnetico fisso e di filtrare la tensione anodica da inviare poi alle valvole.
Questo aveva come effetto secondario l'introduzione di un certo rumore dovuto alle variazioni del campo magnetico a causa del ripple della corrente da filtrare.
Dal punto di vista della struttura, basta rifarsi a quella dell'altoparlante magnetodinamico sostituendo il magnete con un solenoide.
Sono caduti in disuso quando sono diventati disponibili magneti permanenti di grande potenza e basso costo, si trovano ancora come pezzi di ricambio per radio a valvole antiche.

Altoparlante Elettrostatico

Si tratta di dispositivi in cui è sfruttato il meccanismo della attrazione-repulsione elettrostatica.
Consiste in una membrana elastica conduttiva posta in mezzo a due griglie conduttive.
La membrana è a potenziale zero e le due griglie sono alternativamente, in funzione del segnale una a potenziale positivo e una a potenziale negativo rispetto alla membrana.
La membrana in questo modo viene attratta dalla griglia positiva e respinta dalla griglia negativa, e questa forza fa si che la membrana si muova e sposti l'aria che la circonda comprimendola e rarefacendola in funzione del segnale di pilotaggio.
L'onda sonora prodotta passa attraverso le griglie senza trovare un significativo ostacolo e si propaga all'ambiente circostante.
Il sistema è pilotato da un trasformatore in salita, richiede delle tensioni di funzionamento molto alte per avere una resa decente, tipicamente dell'ordine dei KVolt.
In alternativa al trasformatore si può usare un driver dedicato a valvole termoioniche, che scelte opportunamente, possono arrivare alle tensioni di esercizio di questo tipo di diffusore, evitando l'impiego del trasformatore.
Questo sistema è un dipolo, ovvero genera il suono davanti e dietro il diffusore, viste le basse escursioni della membrana e il corto circuito acustico per le frequenze basse (non essendoci una netta separazione fra la parte anteriore e quella posteriore), questo tipo di diffusore non è adatto a riprodurre i toni bassi e, di solito, viene affiancato da un diffusore magnetodinamico che sopperisce a tale lacuna.
Altri inconvenienti: possibili scariche elettrostatiche (viste le alte tensioni in gioco) fra le griglie e la membrana conduttiva, cattura della polvere e di altre impurità dell'aria (vedi fumo) per via elettrostatica che addensandosi sulle griglie e sulla membrana nel tempo generano dei cortocircuiti.
Questo sistema è tuttora usato nei diffusori hi-fi hi-end (di fascia altissima).

Altoparlante elettrostatico

Altoparlante piezoelettrico

Sono altoparlanti che sfruttano il fenomeno della piezoelettricità, per cui applicando una tensione sulle facce di un cristallo piezoelettrico, questo subisce una deformazione meccanica proporzionale alla tensione applicata.
La deformazione meccanica viene sfruttata per mettere in movimento una massa di aria e produrre il suono.
Sono utilizzati sopratutto per le suonerie degli orologi, non hanno grande diffusione in ambito hi-fi se non per qualche modello di tweeter.

Altoparlante a Nastro

Il diffusore a nastro ha una membrana di polimero plastico rivestito di metallo (solitamente, ma può essere anche interamente di metallo piegato per renderlo più adatto a muoversi) immersa in un campo magnetico nella quale passa una corrente proporzionale al suono da riprodurre che provoca, interagendo con il campo magnetico fisso, lo spostamento di quest'ultima.
La massa molto ridotta della membrana la rende adatta a spostamenti molto veloci, quindi questo tipo di altoparlante è adatto al trattamento delle frequenze medie, alte e altissime ma non alle basse frequenze e viene principalmente usato come midrange e tweeter.
Sono trasduttori molto apprezzati in campo hi-fi, ma la loro delicatezza ne ha sempre limitato la diffusione.
A destra un altoparlante a nastro visto in sezione da sopra.
Nel dettaglio i vari componenti:
1) Vite di fissaggio al legno della cassa acustica
2) Profilo in legno o materiale plastico a forma di tromba (in questo caso ma può anche essere assente e in questo caso il nastro sarebbe a filo del bordo esterno della cassa acustica)
3-7) Magnete al neodimio o altro materiale similare come caratteristiche
4) Strato di fonoassorbente per assorbire la radiazione posteriore del nastro (che è a tutti gli effetti un trasduttore bipolare)
5) Nastro polimero plastico rivestito di metallo, solitamente alluminio per via del peso
6) Legno della cassa acustica
8) Cestello esterno

Per come è costruito è facile dedurre che questo tipo di altoparlante ha una impedenza molto bassa (si tratta di un nastro conduttivo abbastanza corto con una grande superficie e una discreta sezione totale), se rapportato ad un magnetodinamico.
Questo complica un po' la progettazione delle casse anche perché di solito viene accoppiato con un woofer magnetodinamico per riprodurre i bassi.

Altoparlante a Nastro

Altoparlante a nastro visto in sezione da sopra.

Membrana altoparlante a nastro

Membrana vista in sezione. Il segnale va applicato agli estremi.

Air Motion Transformer

Si tratta di un sistema brevettato da Oskar Heil, per alcuni versi molto simile all'altoparlante a nastro e ne rappresenta di fatto una evoluzione.
In questo caso il mastro è piegato a fisarmonica ed immerso in un forte campo magnetico.
La corrente che passa nel nastro ne provoca lo spostamento e la compressione/rarefazione dell'aria presente fra le varie pieghe.
E' tendenzialmente più robusto di un analogo a nastro e ha grossomodo le stesse caratteristiche.

A destra la rappresentazione in sezione vista da sopra di un altoparlante Air Motion Transformer.
1) e 8) Magnete in neodimio o materiale similare
2) e 5) Terminale di collegamento al segnale
3) Foro nell'espansione polare per consentire la propagazione dell'onda sonora
4) Nastro metallico conduttivo ripiegato a fisarmonica (l'elemento in cui passa la corrente elettrica che deve essere convertita in suono)
6) e 7) Espansione polare

Altoparlante Air Motion Transformer

Altoparlante a plasma di gas

Sono in assoluto i più avveniristici altoparlanti che abbia mai visto, la parte che comprime ed espande l'aria è costituita da un plasma di gas (gas fortemente ionizzato).
Il gas viene mantenuto allo stato di plasma da una scarica elettrica continua.
Modulando l'intensità della scarica con il segnale elettrico che vogliamo convertire in suono si crea l'onda sonora.
Questo tipo di trasduttore ha una massa prossima allo zero, quindi è molto veloce e reattivo.

Nel disegno a destra si vede lo schema di principio di un altoparlante al plasma di gas.
All'ingresso HT viene applicata una tensione continua stabilizzata dell'ordine delle migliaia di Volt che genera un arco voltaico [3] continuo fra gli elettrodi [2] e [4].
Al punto [1] invece possiamo notare un trasformatore dove viene applicato il segnale che modula la tensione HT che arriva agli elettrodi variando di conseguenza l'intensità dell'arco voltaico e la quantità di plasma di gas presente fra gli elettrodi (in rosso).
Il plasma di gas è estremamente caldo quindi quando aumenta scalda l'aria in cui si forma e genera un aumento istantaneo della pressione e viceversa una diminuzione quando diminuisce.
Con questo meccanismo vengono generate le onde sonore.
Questa fonte non è bipolare ma un trasduttore omnidirezionale.

Altoparlante al plasma - schema di principio

Altoparlante : rendimento

Per rendimento si intende l'attitudine di un altoparlante a trasformare un segnale elettrico in suono.
Maggiore è il rendimento, maggiore è la pressione acustica prodotta a parità di potenza applicata.

Il rendimento di un altoparlante si misura fornendo una potenza nota (1Watt) e misurando con un microfono la pressione sonora a 1 metro di distanza, mantenendosi in direzione dell'asse dell'altoparlante.
Questa pressione sonora si misura in dB SPL (Sound pressure level).
E' tanto è più alta quanto più l'altoparlante è efficiente.
Occorre tenerne conto quando in una cassa acustica si accoppiano più altoparlanti con efficienza diversa, nel senso che occorre applicare degli attenuatori agli altoparlanti più efficienti in modo da equalizzarli.
Tenete conto che la scala in dB è logaritmica e, quindi un aumento di 3dB equivale ad un raddoppio dell'efficienza.

Per una trattazione più specifica dei parametri di un altoparlante nello specifico per il tipo magnetodinamico andare alla seguente sezione: altoparlanti magnetodinamici.

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