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Altoparlanti magnetodinamici: parametri tipici

Abbiamo deciso di approfondire solo la tipologia degli altoparlanti magnetodinamici in quanto sono i più diffusi per ogni genere di applicazioni. Quando sfogliamo un catalogo di altoparlanti ci imbattiamo in tutta una serie di parametri che servono sia nella progettazione dei filtri crossover che nella progettazione del cabinet. Si chiamano comunemente parametri di Thiele e Small, dal cognome dei due ricercatori che per primi li studiarono e divulgarono.

Altoparlanti magnetodinamici: Parametri di Thiele e Small

Re

Resistenza elettrica della bobina dell'altoparlante misurata in corrente continua. E' il parametro più facile da misurare, basta un multimetro digitale dotato di una buona precisione.

Vas

Il Vas (Volume Acoustic Suspension), si misura in litri o in decimetri cubici ( 1 litro= 1 decimentro cubico) ed e' la misura della cedevolezza della sospensione in aria libera.
Rappresenta il volume d'aria che ha la stessa cedevolezza della sospensione dell'altoparlante quando mossa da un pistone avente la stessa area (Sd) del cono dell'altoparlante.
E' un parametro importante, in quanto può dare l'idea di che volume (per quello che riguarda la cassa acustica) serve all'altoparlante per funzionare al meglio.
Un Vas elevato significa sospensioni cedevoli, un Vas basso indica sospensioni rigide.
Siccome più il volume è grande, più l'aria è facilmente comprimibile, altoparlanti con Vas alto hanno una cedevolezza della sospensione elevata e viceversa.
Il valore non è inoltre vincolante nel senso che la cassa acustica in cui viene fatto lavorare l'altoparlante non deve necessariamente avere lo stesso volume del Vas.
È però altresì vero che se un altoparlante con Vas elevata viene incassato in un volume molto inferiore a quello equivalente, la risposta in frequenza sarà molto ristretta, smorzata e povera in basse frequenze, poiché l'altoparlante non riuscirà quasi per niente a comprimere/decomprimere l'aria all'interno della cassa, e quindi a generare pressione all'esterno, praticamente l'escursione del cono sarà molto limitata dalla pressione/decompressione dell'aria all'interno della cavità.
Al contrario, se un altoparlante con Vas bassa viene fatto suonare in un volume molto elevato, si avrà una risposta molto estesa ma anche una notevole perdita di controllo dell'altoparlante, che risulterà in una perdita di dettaglio sonoro, dovuta al fatto che le sospensioni dell'altoparlante non vengono adeguatamente "frenate" dall'aria durante la loro escursione, ovvero all'interno della cavità non si produrrà una pressione/depressione sufficiente per frenare l'altoparlante.
Questo potrebbe implicare anche una escursione accessiva del cono anche a potenze nominali più basse di quella massima sopportabile, con possibili rotture meccaniche dello stesso.
Il Vas varia in proporzione del quadrato del diametro dell'altoparlante, la tipica tolleranza di misura si aggira sul ±20–30%.

Fs

Frequenza di risonanza dell'altoparlante in aria libera.
In linea di massima si tende a far lavorare l'altoparlante partendo da una frequenza superiore a questa, quindi è più bassa della minima frequenza che l'altoparlante può convenientemente produrre.
Di norma più è bassa meglio è, fermo restando che per avere frequenze di risonanza basse occorrono altoparlanti molto grandi.
La frequenza di risonanza è un moto armonico per fare un esempio è come se l'altoparlante si comportasse come un pendolo, basta poco per mantenerlo in oscillazione e la frequenza di oscillazione è strettamente legata alla massa dell'equipaggio mobile ma anche all'elasticità dell'aria che costituisce il mezzo in cui si muove la massa mobile dell'altoparlante.
A questa frequenza essendo necessaria poca energia per mantenere l'oscillazione l'impedenza dell'altoparlante visto dall'amplificatore finale aumenta di molto.

Qes

Fattore di merito elettrico in aria libera alla frequenza Fs.
E' un dato adimensionale, quindi un numero puro.
Quantifica le perdite nella sola parte elettrica dell'altoparlante.

Qms

Fattore di merito meccanico in aria libera alla frequenza Fs.
E' un dato adimensionale, quindi un numero puro.
Quantifica le perdite nella sola parte meccanica dell'altoparlante.

Qts

Fattore di merito totale in aria libera alla frequenza Fs.
E' un dato adimensionale, quindi un numero puro.
Il valore di Qts è proporzionale all'energia immagazzinata, divisa per l'energia dissipata alla frequenza di risonanza (Fs).
Di norma è un valore compreso fra 0,2 e 0,5 ma ci sono anche casi particolari in cui questa regola non è rispettata.

Sd

Area effettiva del cono, cioè quella utile per l'emissione del suono.
Quando si misura il diametro dell'altoparlante per ricavare questo valore occorre misurare dalla metà della sospensione dello stesso.

Xmax

Espressa in millimetri e il massimo spostamento della membrana in un senso.
Questo parametro si deve intendere in un contesto di distorsione, in genere l'escursione possibile senza rotture meccaniche è maggiore ma la distorsione cresce di molto.
Questo è dovuto al fatto che la bobina fuoriesce in parte dalla zona in cui il campo magnetico prodotto dal magnete permanente ha delle linee di flusso che si allineano perfettamente con essa e di intensità costante, quindi fuori da questa zona non vi è più linearità fra la corrente applicata alla bobina e la forza che si genera sulla stessa e che poi viene sfruttata per muovere l'equipaggio mobile.

Mms

Espresso in grammi è il peso dell'equipaggio mobile dell'altoparlante comprensivo di tutto (bobina, cono, centratore, parte della sospensione ecc..) compreso il carico acustico dell'aria a contatto con il cono.
E' strettamente correlato alla dimensione dell'altoparlante e al materiale con cui è realizzato.

Mmd

Espresso in grammi è il peso dell'equipaggio mobile dell'altoparlante comprensivo di tutto (bobina, cono, centratore, parte della sospensione ecc..) escluso il carico acustico dell'aria a contatto con il cono.
E' strettamente correlato alla dimensione dell'altoparlante e al materiale con cui è realizzato.

Cms

E' la cedevolezza della sospensione dell'altoparlante.
Più cedevole è la sospensione minore è la rigidità.
Questo dato è proporzionale a Vas.
Si misura in mm/N (millimetri fratto Newton)

Bl

Fattore elettromeccanico di forza, si misura in Tesla/metro e indica la forza del campo magnetico.
E' detto anche fattore di forza perché è la forza imposta sulla bobina dal campo magnetico fisso quando questa è percorsa da una corrente.

Le

E' l'induttanza della bobina mobile misurata in mH (milliHenry).
Varia in funzione della posizione della bobina rispetto al ferro che compone il circuito magnetico, quindi con il movimento vi è una modulazione dell'induttanza fonte di distorsione.
Per ridurre questo fenomeno si usa un anello di cortocircuito il rame o alluminio che limita la distorsione alle alte frequenze.

Sensibilità

La pressione sonora, in dB, prodotta da un altoparlante in risposta ad uno stimolo specificato.
Di solito questo viene attuato alimentando l'altoparlante con una potenza di 1 watt o 2,83 volt (2,83 volt = 1 watt in un carico di 8 Ω) e misurando la pressione sonora ad una distanza di un metro.
Misura in altre parole il rendimento di conversione dell'energia elettrica in energia acustica.
Essendo su scala logaritmica ogni 3dB l'altoparlante raddoppia il rendimento di conversione.
Ovvero, se noi abbiamo un altoparlante da 90dB (1W/1m) di efficienza e lo pilotiamo con 10Watt di potenza produce la stessa pressione acustica di un altoparlante da 93dB (1W/1m) pilotato con 5Watt.
Per capire meglio guardate la seguente tabellina:

Potenza di pilotaggio (W) Pressione acustica prodotta Altoparlante 90dB (1W/1m) Pressione acustica prodotta Altoparlante 93dB (1W/1m) Pressione acustica prodotta Altoparlante 100dB (1W/1m)
1 90 93 100
2 93 96 103
4 96 99 106
8 99 102 109
16 102 105 112
32 105 108 115
64 108 112 118

In pratica l'altoparlante della colonna a destra con soli 8Watt produce la stessa pressione sonora che l'altoparlante a sinistra con ben 64Watt.
Pensate quanto questo può essere rilevante in un concerto dal vivo dove occorre sonorizzare un intero stadio.
La differenza a livello di potenza richiesta dall'amplificazione è enorme fra un sistema di altoparlanti molto efficiente e uno scarsamente efficiente.

In genere questi parametri vengono resi disponibili dalle ditte produttrici e ci informano sulla tipologia di impiego dell'altoparlante e il suo accoppiamento con la cassa acustica e con gli altri altoparlanti quando abbiamo un sistema a più vie. Come vedremo in seguito esistono dei metodi che ci permettono di misurare alcuni di questi parametri.

Altoparlanti e Potenza

Le case costruttrici per gettare un po' di fumo negli occhi dei possibili acquirenti usano diversi sistemi per dare un valore alla potenza che riescono a gestire gli altoparlanti (la spessa cosa vale per gli amplificatori).

Potenza RMS

Vero valore efficace della potenza.
(Root Mean Square = Valore Quadratico Medio).

Potenza di picco

Potenza RMS moltiplicata per radice di due.

Potenza musicale

Vedi potenza di picco.

Potenza PMPO

PMPO=(Peak Music Power Output) ovvero Potenza musicale di picco.
Non esiste una definizione univoca ed oggettiva del PMPO, ogni costruttore ha la libertà di intenderlo e calcolarlo a sua discrezione: in genere vengono sommate le potenze massime teoriche ed istantanee di ogni amplificatore ma non è una definizione vincolante.
Questa assenza di una regola precisa ha fatto si che non ci sia nessuna relazione fra questo parametro e la reale potenza del dispositivo a cui si riferisce, diventando principalmente uno strumento di marketing.
Nel mercato consumer è prassi comune riportare potenze di centinaia o migliaia di watt PMPO per dispositivi che in realtà hanno pochi watt di potenza RMS, con rapporti che variano da 4 ad oltre 60.

Potenza picco a picco

E' uguale al doppio della potenza di picco.

Altoparlanti e gestione della potenza

Questa è una caratteristica molto importante per un altoparlante.
Ovviamente si deve sciegliere un altoparlante in grado di gestire la potenza che è in grado di produrre l'amplificatore che vogliamo collegare.
Tuttavia si può distruggere un altoparlante con potenze anche molto più basse di quella nominale.
La soluzione ideale è sciegliere un altoparlante che sia in grado di gestire una potenza molto più alta di quella a cui verrà sottoposto.
Avere in altre parole un largo margine "termico".
In un altoparlante la potenza nominale è dovuta alla caratteristica di dissipare il calore che si sviluppa sulla bobina.
Questo è dipendente dal materiale impiegato per la costruzione della bobina e alla sua caratteristica resistenza alle alte temperature, dal trasferimento del calore per irraggiamento, ma anche da quanta aria circola sulla bobina mobile e dalla possibilità di ricircolo/espulsione della stessa ad opera del movimento della bibina stessa.
Bobine di grande diametro e grandi gruppi magnetici possono dissipare meglio il calore.
Quello di cui in genere non si tiene conto è il fattore meccanico che nulla ha a che vedere con la dissipazione termica.
In altre parole l'altoparlante se fatto lavorare in una cassa acustica non adeguata o a frequenze troppo basse può essere sottoposto a escursioni eccessive della membrana che possono lesionare la sospenzione o rompere la membrana stessa e qualsiasi altro organo della parte mobile come la sospensione della membrana o il centratore.

Altoparlanti e rodaggio

Gli altoparlanti come altri organi meccanici per funzionare al meglio hanno bisogno di un radaggio per assestare la sospensione, il centratore e tutta la meccanica in generale.
Solo dopo questa operazione raggiungono un funzionamento stabile che dura per un certo lasso di tempo dopo di che interviene l'invecchiamento.
Il rodaggio in genere è necessario per gli altoparlanti dedicati alla riproduzione delle frequenze più basse, in virtù del fatto che la componente meccanica è soggetta ad un movimento maggiore mentre incide di meno sugli altoparlanti per medi e acuti.
Per eseguirlo basta collegare l'altoparlante ad un amplificatore a sua volta collegato ad un generatore sinusoidale, selezionare una frequenza più bassa di quella di risonanza (fs) e aggiustare la potenza dell'amplificatore per muovere la membrana senza superare la massima escursione ma magari tenendosi al 70-80% della massima escursione.
A questo punto lasciar funzionare il tutto per almeno 10 ore.

Altoparlanti e rendimento assoluto

Il rendimento di un altoparlante ovvero la parte di energia elettrica che viene realmente trasformata in energia sonora va da meno dell'1% per altoparlanti di bassa qualità ad un 4-5% massimo per altoparlanti professionali e di alta qualità.

Altoparlanti e distorsione

L'altoparlante è una delle parti più critiche della catena audio. E' fonte di diversi tipi di distorsione legati alla sua stessa struttura meccanica e alle leggi della fisica. Alcune cause di distorsione possono essere mitigate da una buona progettazione e costruzione, altre come ad esempio l'effetto doppler dei woofer sulle alte frequenze della loro banda possono essere ridotte a costo di una complicazione notevole del diffusore. Di seguito analizzeremo alcuni tipi di distorsione introdotti dagli altoparlanti.... paragrafo in completamento ..

Altoparlanti e veridicità dei dati forniti dai costruttori

I dati forniti dai costruttori per quanto riguarda gli altoparlanti non sono mai precisi, si arriva facilmente a delle tolleranze di un 20-30%, per avere dati precisi occorre ricavarli utilizzando tecniche di misura e software adeguati.
Quindi se volete avventurarvi nella costruzione di diffusori acustici e non volete solamente affidarvi al vostro orecchio dovete orientarvi in tal senso.

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