Come funzionano gli altoparlanti: guida alla tecnologia degli altoparlanti
Gli altoparlanti convertono i segnali audio elettrici in onde sonore attraverso principi elettromagnetici. Una corrente elettrica fluisce attraverso una bobina mobile posizionata in un campo magnetico, provocando la vibrazione di un diaframma e il movimento dell'aria, creando i suoni che sentiamo.
Comprendere la tecnologia degli altoparlanti ti aiuta a prendere decisioni informate nella scelta delle apparecchiature audio per la produzione musicale o l'ascolto. Nonostante i progressi tecnologici nei materiali e nella produzione dal 1920, il principio di funzionamento fondamentale rimane invariato in tutti i tipi di altoparlanti, da quelli degli smartphone ai monitor professionali da studio.
In questa guida imparerai:
- I principi elettromagnetici alla base del funzionamento degli altoparlanti
- I componenti interni e le loro funzioni specifiche
- Come gli altoparlanti riproducono diverse gamme di frequenza
- Specifiche tecniche: impedenza, sensibilità, risposta in frequenza
- La storia e il futuro della tecnologia degli altoparlanti
Il principio di base del funzionamento degli altoparlanti
Il driver dell'altoparlante (chiamato anche trasduttore) svolge una funzione essenziale: convertire l'energia elettrica in movimento meccanico che crea onde sonore.
Quando un segnale audio proveniente da un amplificatore raggiunge i terminali dell'altoparlante, attraversa una bobina mobile, ovvero un filo avvolto attorno a un supporto cilindrico. Questa bobina si trova nello spazio tra i poli di un magnete permanente. Quando la corrente alternata attraversa la bobina, le forze elettromagnetiche la fanno muovere avanti e indietro.
La bobina mobile è collegata a un diaframma. Quando la bobina si muove, il diaframma si muove con essa, spingendo e tirando l'aria per creare onde di pressione. Queste onde di pressione sono il suono. L'ampiezza del movimento del diaframma determina il volume; la frequenza del movimento determina il tono.
Una cornice flessibile consente al diaframma di muoversi liberamente mantenendo la sua posizione. Un movimento maggiore del diaframma produce livelli di volume più elevati.
Componenti interni di un altoparlante
Ogni componente all'interno di un altoparlante svolge una funzione specifica nel processo di produzione del suono.
Componenti del sistema magnetico
Polo, piastra posteriore e piastra superiore
Il polo si trova al centro e dirige il campo magnetico. La piastra posteriore si trova dietro il polo, mentre la piastra superiore è posizionata sopra di esso. Questi tre componenti concentrano il campo magnetico nello spazio in cui opera la bobina mobile.
Magnete permanente
Il magnete permanente fornisce energia magnetica costante. Mantiene le sue proprietà magnetiche senza alimentazione esterna. La bobina mobile diventa magnetica solo quando viene attraversata dalla corrente elettrica.
Bobina mobile
La bobina mobile è un filo avvolto attorno a un supporto cilindrico (chiamato anche bobina). Quando il segnale elettrico attraversa la bobina, questa diventa un elettromagnete. Le forze magnetiche tra la bobina mobile e il magnete permanente provocano il movimento della bobina. Come i poli magnetici si respingono, i poli opposti si attraggono. Questa interazione crea il movimento avanti e indietro che produce il suono.
Componenti strutturali
Ragno
Lo spider è un materiale ondulato che sostiene la bobina mobile consentendone il movimento verticale. Impedisce il movimento laterale, mantenendo stabile il movimento lungo un solo asse.
Bordo
Il bordo sostiene il diaframma nella parte superiore del cestello dell'altoparlante, consentendo un movimento fluido durante la produzione del suono.
Diaframma
Il diaframma (chiamato anche cono in alcuni modelli) è la superficie mobile visibile dell'altoparlante. Si muove in risposta al movimento della bobina mobile, creando onde di pressione nell'aria. Queste onde di pressione producono i suoni che sentiamo.
Cappuccio antipolvere
Il cappuccio antipolvere protegge i componenti interni da polvere e detriti, prevenendo eventuali danni.
Cestello
Il cestello è il telaio che mantiene tutti i componenti dell'altoparlante nella posizione corretta.
Componenti elettrici
I terminali dell'altoparlante sono i punti di connessione metallici in cui i cavi audio si collegano all'altoparlante. Questi terminali si collegano al cavo che si collega alla bobina mobile, fornendo il segnale elettrico necessario per il funzionamento.
Alloggiamento dell'altoparlante
L'involucro (chiamato anche cabinet) svolge tre funzioni importanti:
In primo luogo, protegge i componenti interni da polvere, sporco ed elementi esterni.
In secondo luogo, riduce la cancellazione di fase. Quando il diaframma si muove, produce onde sonore in entrambe le direzioni. Senza un involucro, queste onde possono annullarsi a vicenda, con conseguente riduzione della qualità del suono, in particolare alle basse frequenze.
In terzo luogo, l'involucro influisce sulla direzione del suono e sulla risposta dei bassi. Il design del cabinet influenza il modo in cui gli ascoltatori percepiscono le basse frequenze.
Gli involucri sono realizzati con materiali densi e rigidi per evitare risonanze e vibrazioni indesiderate. I materiali più comuni sono il legno, l'MDF (pannello di fibra a media densità) e la plastica.
Come gli altoparlanti riproducono le diverse frequenze
Un singolo driver non è in grado di riprodurre in modo efficiente tutte le frequenze audio. I limiti fisici impediscono prestazioni ottimali su tutta la gamma di frequenze.
Ai concerti, vedrete sistemi di altoparlanti separati per diverse gamme di frequenza: subwoofer e woofer per le basse frequenze, driver midrange per le frequenze medie e tweeter per le alte frequenze. Ogni tipo di driver è progettato specificamente per la sua gamma di frequenza.
Per l'uso domestico e in studio, gli altoparlanti multi-driver risolvono questo problema in una forma compatta.
Sistemi di altoparlanti multi-driver
Gli altoparlanti multi-driver utilizzano due, tre o quattro driver di dimensioni diverse per gestire frequenze diverse. La configurazione più comune è il sistema a due vie, che utilizza due driver.
Un componente crossover divide il segnale audio in diverse gamme di frequenza. Le alte frequenze vengono inviate al tweeter, mentre le frequenze basse e medie vengono dirette al driver più grande. Il crossover utilizza dei filtri per dividere correttamente le frequenze.
Questa configurazione consente all'altoparlante di riprodurre l'intera gamma di frequenze con una qualità superiore a quella che potrebbe ottenere un singolo driver.
Perché sono necessarie diverse dimensioni dei driver
La maggior parte degli altoparlanti ha più driver di diverse dimensioni sul pannello frontale. Questo design risponde a specifiche limitazioni fisiche.
I driver piccoli non sono in grado di muovere una quantità d'aria sufficiente a produrre basse frequenze a livelli di volume adeguati. I driver grandi gestiscono bene i bassi, ma presentano limitazioni meccaniche che impediscono una riproduzione efficiente delle alte frequenze.
La direttività del driver dipende anche dalle dimensioni. La direttività si riferisce all'angolo entro il quale il suono è correttamente bilanciato. I driver di grandi dimensioni hanno una direttività ristretta alle alte frequenze, mentre quelli piccoli hanno una direttività limitata alle basse frequenze.
Comprendere l'impedenza degli altoparlanti
L'impedenza degli altoparlanti è la resistenza totale al flusso di corrente elettrica in un altoparlante, misurata in ohm. L'impedenza include sia la resistenza del filo della bobina mobile che l'induttanza causata dall'avvolgimento della bobina.
A differenza della resistenza standard, l'induttanza varia con la frequenza del segnale. Questa variazione è chiamata reattanza induttiva.
Per ottenere prestazioni ottimali è importante abbinare l'impedenza dell'altoparlante all'impedenza dell'amplificatore. Un'impedenza non corrispondente può causare una riduzione della qualità del suono, surriscaldamento e danni alle apparecchiature.
Verificare sempre che l'impedenza dell'altoparlante sia compatibile con le specifiche dell'amplificatore.
Potenza e sensibilità dell'altoparlante
Molti pensano che una potenza maggiore significhi un suono più forte. Questa supposizione è incompleta.
Un parametro di confronto migliore è la sensibilità. La sensibilità, misurata in decibel (dB), indica l'efficienza con cui un altoparlante converte l'energia elettrica in suono. Una sensibilità più elevata significa che l'altoparlante produce più suono con una data quantità di potenza.
I valori di sensibilità consentono un confronto equo tra altoparlanti diversi. Tuttavia, quando si utilizza un amplificatore esterno, è necessario considerare anche la potenza massima che un altoparlante può ricevere senza subire danni. Abbinare la potenza dell'amplificatore alla potenza nominale dell'altoparlante.
Scegliere un'alta sensibilità per le applicazioni in cui l'efficienza energetica è importante (altoparlanti portatili, sistemi audio per auto). Scegliere una potenza maggiore per le applicazioni audio professionali.
Risposta in frequenza
La risposta in frequenza descrive la capacità di un altoparlante di riprodurre il suono su diverse gamme di frequenza. Un grafico della risposta in frequenza mostra le frequenze in cui l'altoparlante può enfatizzare eccessivamente o sottoperformare.
La risposta in frequenza è importante per due motivi. Innanzitutto, è necessaria quando si progettano sistemi multi-driver e si configurano i crossover. In secondo luogo, aiuta a selezionare gli altoparlanti corretti per le proprie esigenze specifiche, sia che si tratti di lavoro professionale in studio o di ascolto domestico.
Molti altoparlanti di consumo sono ottimizzati con un leggero aumento delle frequenze basse e alte per migliorare l'esperienza di ascolto. Tuttavia, la produzione musicale richiede altoparlanti con una risposta in frequenza piatta. Una risposta piatta garantisce che nessuno strumento o campione sia mascherato da cali di frequenza o artificialmente amplificato da picchi di frequenza.
Gli altoparlanti con risposta in frequenza piatta forniscono un suono accurato che riflette fedelmente la sorgente audio originale, necessario per un missaggio e un mastering precisi.
Cuffie
Le cuffie utilizzano la stessa tecnologia dei driver degli altoparlanti, ma su scala ridotta. Sono piccoli altoparlanti che si posizionano sopra o all'interno delle orecchie, trasmettendo il suono direttamente all'ascoltatore.
Come funzionano gli altoparlanti stereo
Un singolo altoparlante riproduce il suono in mono. Per creare un palcoscenico stereo completo, sono necessari due altoparlanti, ciascuno dei quali trasmette segnali audio sinistri e destri e posizionati in modo da creare un ambiente sonoro ampio.
Le soundbar creano un'uscita stereo utilizzando più driver disposti lungo il cabinet. Il segnale stereo viene suddiviso nei canali sinistro e destro e ogni driver riceve la sua porzione designata per creare un'immagine stereo più ampia. Questi sistemi includono spesso un subwoofer separato per la riproduzione delle basse frequenze.
La storia dello sviluppo degli altoparlanti
Come molte invenzioni dell'inizio del XX secolo, l'altoparlante è stato sviluppato da più inventori nel corso del tempo, man mano che la comprensione delle onde sonore e delle correnti elettriche migliorava.
Alexander Graham Bell, inventore del telefono, ha dato un contributo significativo alla tecnologia audio, sviluppando una prima versione di un altoparlante alla fine del XIX secolo. Oliver Lodge ha creato il primo altoparlante a bobina mobile. Nel 1915, gli ingegneri danesi Peter L. Jensen ed Edwin Pridham hanno brevettato l'altoparlante elettrodinamico, in cui una bobina di filo metallico collegata a un diaframma era collocata in un campo magnetico.
Nel 1925, Edward W. Kellogg e Chester W. Rice svilupparono l'altoparlante dinamico con diaframma, che fu successivamente concesso in licenza dalla RCA. Il loro progetto includeva molti elementi che costituiscono le basi della moderna tecnologia degli altoparlanti.
Molti ingegneri hanno contribuito allo sviluppo della tecnologia che oggi consente una riproduzione audio di alta qualità.
Il futuro della tecnologia degli altoparlanti
La tecnologia di base degli altoparlanti è rimasta sostanzialmente invariata dalla sua invenzione. Gli altoparlanti sono convertitori di energia inefficienti: oltre il 99% dell'energia in ingresso viene convertita in calore anziché in suono.
Tuttavia, la tecnologia futura degli altoparlanti potrebbe cambiare grazie al grafene, un materiale scoperto nel 2004. Il grafene è leggero e richiede meno energia per muoversi e creare onde sonore. Questa proprietà è particolarmente vantaggiosa per i driver ad alta frequenza, che richiedono materiali leggeri per un funzionamento efficiente alle alte frequenze.
Se la produzione di grafene potrà essere scalata per i prodotti commerciali, gli altoparlanti del futuro potrebbero essere più leggeri e significativamente più efficienti dal punto di vista energetico.
Punti chiave
- Gli altoparlanti convertono i segnali elettrici in suono attraverso l'interazione elettromagnetica tra una bobina mobile e un magnete permanente
- Il diaframma si muove in risposta al movimento della bobina mobile, creando onde di pressione che percepiamo come suono
- Per riprodurre in modo efficiente l'intera gamma di frequenze sono necessari più driver di diverse dimensioni
- L'adattamento dell'impedenza tra altoparlanti e amplificatori è necessario per ottenere prestazioni ottimali e garantire la sicurezza delle apparecchiature
- La sensibilità indica l'efficienza con cui un altoparlante converte l'energia elettrica in uscita sonora
- Una risposta in frequenza piatta è necessaria per una produzione e un missaggio accurati della musica
- La tecnologia degli altoparlanti è rimasta sostanzialmente invariata dagli anni '20, anche se i materiali continuano a migliorare
Domande frequenti
Qual è la differenza principale tra un woofer e un tweeter?
Un woofer è un driver di grandi dimensioni progettato per riprodurre le basse frequenze (bassi). Un tweeter è un driver di piccole dimensioni progettato per riprodurre le alte frequenze (acuti). Le dimensioni di ciascun driver sono ottimizzate per la sua specifica gamma di frequenze a causa di limitazioni fisiche: i driver di piccole dimensioni non sono in grado di muovere una quantità d'aria sufficiente per i bassi, mentre quelli di grandi dimensioni non sono in grado di muoversi abbastanza velocemente per le alte frequenze.
Perché l'impedenza degli altoparlanti è importante?
L'impedenza degli altoparlanti deve corrispondere alle specifiche dell'amplificatore per garantire il corretto funzionamento, una qualità audio ottimale e la sicurezza delle apparecchiature. Un'impedenza non corrispondente può causare una riduzione della qualità audio, il surriscaldamento dell'amplificatore e danni permanenti alle apparecchiature.
Cosa misura la sensibilità degli altoparlanti?
La sensibilità degli altoparlanti, misurata in decibel (dB), indica l'efficienza con cui un altoparlante converte l'energia elettrica in uscita sonora. Una sensibilità più elevata significa che l'altoparlante produce un volume maggiore con la stessa quantità di energia in ingresso. La sensibilità è più utile della potenza nominale quando si confronta il potenziale di volume degli altoparlanti.
Che cos'è una risposta in frequenza piatta e perché è importante?
Una risposta in frequenza piatta significa che l'altoparlante riproduce tutte le frequenze a livelli uguali senza enfatizzare o ridurre gamme specifiche. Ciò è necessario per la produzione musicale perché garantisce una rappresentazione accurata della sorgente audio, consentendo ai produttori di prendere decisioni corrette in materia di missaggio e masterizzazione.
Come funziona un crossover in un altoparlante multi-driver?
Un crossover divide il segnale audio in diverse gamme di frequenza e indirizza ciascuna gamma al driver appropriato. Ad esempio, in un altoparlante a due vie, il crossover invia le alte frequenze al tweeter e le basse frequenze al woofer, assicurando che ciascun driver riproduca solo le frequenze per cui è stato progettato in modo efficiente.
