Come funzionano gli altoparlanti

Anche se gli altoparlanti Hi-Fi esistono da oltre 70 anni, a molti nuovi arrivati ​​nel mondo dell'audio queste scatole di legno con vari componenti e aperture potrebbero sembrare misteriose. Ecco perché abbiamo creato questo articolo per coloro che hanno appena iniziato il loro viaggio nel mondo del suono di alta qualità.

È importante capire che, nonostante decenni di progressi tecnologici nella progettazione e nella produzione, il principio fondamentale alla base del funzionamento degli altoparlanti, o trasduttori acustici, non è cambiato molto da quando Edward Kellogg e Chester Rice lo introdussero per la prima volta nel 1925. i piccoli altoparlanti del tuo smartphone, la soundbar sotto la TV o gli enormi altoparlanti di un concerto, condividono tutti lo stesso design di base.

L'evoluzione dei sistemi Hi-Fi ci ha portato un'incredibile qualità del suono, ma comprendere i principi di base alla base della tecnologia degli altoparlanti ti aiuterà a prendere decisioni più informate quando costruisci il tuo sistema audio.

Come funziona un altoparlante?

Prima di immergerci nei dettagli di come funzionano i componenti degli altoparlanti, prendiamoci un momento per capire come gli altoparlanti creano il suono in generale. Il segnale audio amplificato viene inviato a una bobina metallica costituita da filo. Mentre la corrente elettrica scorre attraverso la bobina, interagisce con un magnete all'interno dell'altoparlante, facendo vibrare il diaframma.

Queste vibrazioni muovono l'aria, creando onde sonore che sono una replica esatta del segnale audio originale. E proprio così, senti il ​​suono, che si tratti di musica o della voce di qualcuno. Naturalmente questa è una spiegazione semplificata, ma ora che abbiamo una comprensione di base, analizziamola ulteriormente.

L'altoparlante, o trasduttore del suono, è il componente chiave di qualsiasi sistema di altoparlanti e ci consente di ascoltare l'audio. Il suo compito è convertire il segnale elettrico proveniente dall'amplificatore in onde sonore acustiche che viaggiano nell'aria e raggiungono le nostre orecchie.

Per connettersi all'amplificatore, l'altoparlante dispone di due terminali collegati ad una bobina nascosta all'interno dell'altoparlante. Questa bobina si trova in uno stretto spazio tra i poli di un magnete permanente situato sul retro dell'altoparlante. Quando la corrente alternata (il segnale audio elettrico) scorre attraverso la bobina, questa si muove avanti e indietro, seguendo i principi dell'elettromagnetismo che tutti noi abbiamo imparato a scuola.

Poiché la bobina è fissata al diaframma, che è la parte visibile sulla parte anteriore dell'altoparlante, anche il diaframma (o cono) si muove avanti e indietro. Questi movimenti generano le onde sonore che percepiamo come suono. Per consentire al diaframma di muoversi liberamente, è montato su una cornice flessibile. Maggiore è l'ampiezza del movimento del diaframma, più forte è il suono che sentiamo.

Cosa c'è dentro un altoparlante?

Diamo un'occhiata all'interno di un altoparlante e analizziamo il ruolo di ciascuna parte nella creazione del suono.

Altoparlante

Il compito principale di un altoparlante è convertire un segnale elettrico in onde sonore. È essenzialmente il “motore” che guida la produzione del suono.

I componenti chiave di un altoparlante includono:

• Polo;
• Piastra posteriore;
• Magnete;
• Piastra superiore;
• Bobina vocale;
• Cestino;
• Ragno;
• Cono e contorno;
• Tappo antipolvere.

Palo, piastra posteriore e piastra superiore

Il polo agisce come un conduttore, coordinando l'intero sistema magnetico dell'altoparlante. Si trova al centro e dirige il campo magnetico. La piastra posteriore si trova dietro il palo, mentre la piastra superiore è posizionata direttamente sopra di esso.

Magnete

Il magnete fornisce una fonte costante di energia magnetica nell'altoparlante, circondato dal polo e dalle piastre che aiutano a focalizzare il campo magnetico. È fissato al cestello dell'altoparlante e viene definito magnete permanente perché conserva le sue proprietà magnetiche per un tempo indefinito. D'altra parte, la bobina mobile, che interagisce con il magnete, diventa magnetica solo quando la corrente elettrica la attraversa.

Bobina vocale

La bobina mobile è un filo avvolto strettamente attorno a un piccolo cilindro, a volte chiamato bobina. Pensalo come uno yo-yo. Quando un segnale elettrico passa attraverso la bobina, diventa un elettromagnete, interagendo con il magnete permanente nell'altoparlante. Se ricordi le lezioni di fisica, saprai che le cariche uguali si respingono e le cariche opposte si attraggono. Questa interazione magnetica fa sì che la bobina si muova avanti e indietro, creando infine onde sonore.

Ragno e Surround

Il ragno è un materiale ondulato che supporta la bobina mobile, mantenendola in posizione e consentendole di muoversi rigorosamente avanti e indietro. Sebbene possa sembrare controintuitivo, il ragno assicura che la bobina non si sposti lateralmente, mantenendo un movimento stabile.

La cornice ha uno scopo simile per il cono. Mantiene il cono in posizione nella parte superiore del cestello dell'altoparlante, consentendogli di muoversi agevolmente durante la produzione del suono.

Cono

Il cono, noto anche come diaframma, è una delle poche parti visibili dell'altoparlante. Si muove avanti e indietro in risposta agli impulsi magnetici provenienti dalla bobina mobile. Questo movimento crea onde di pressione nell'aria circostante, producendo i suoni che sentiamo.

Tappo antipolvere

Il cappuccio antipolvere è un piccolo componente che protegge le parti interne dell'altoparlante da polvere e detriti, prevenendo potenziali danni.

Cestino

Il cestello è il telaio che tiene insieme tutti i componenti dell'altoparlante. Come suggerisce il nome, funziona come un cestino, raccogliendo tutte le parti in una struttura unificata.

Ecco come funziona un altoparlante. Tuttavia, quando parliamo di “altoparlanti”, di solito ci riferiamo all'intero sistema, non solo ai componenti interni. Ma cos’altro è necessario per garantire che gli oratori funzionino in modo efficace?

Componenti elettrici

Per far sì che la bobina produca il suono, ha bisogno di un segnale elettrico. È qui che entrano in gioco i terminali degli altoparlanti e i cavi intrecciati. I terminali sono i punti di connessione o le porte metalliche in cui il cavo audio si collega all'altoparlante.

Questi terminali si collegano al filo intrecciato che alimenta la bobina mobile, fornendo il “carburante” necessario per alimentarla. Questo filo è responsabile della trasmissione del segnale elettrico che viene convertito in suono.

Allegato

La custodia, o il “cabinet” dell’altoparlante, svolge un ruolo cruciale nel funzionamento dell’altoparlante. Innanzitutto, fornisce un alloggiamento sigillato che protegge i componenti interni da polvere, sporco ed elementi esterni come peli di animali domestici.

In secondo luogo, la custodia aiuta a ridurre la distorsione di fase. Quando il diaframma dell'altoparlante si muove, produce onde sonore in entrambe le direzioni. Senza la custodia, queste onde potrebbero annullarsi a vicenda, con conseguente scarsa qualità del suono.

Infine, la custodia influisce sulla direzione del suono e sull'accordatura dei bassi. Un cabinet ben progettato può aiutare a dirigere il suono dove è necessario e migliorare la percezione delle basse frequenze.

La custodia è generalmente realizzata in materiale denso e rigido per prevenire risonanze e vibrazioni indesiderate. I materiali più comuni sono il legno o l'MDF (pannelli di fibra a media densità), anche se a volte viene utilizzata anche la plastica.

In che modo gli altoparlanti riproducono frequenze diverse?

Abbiamo già spiegato come gli altoparlanti convertono l'energia elettrica in onde sonore. Tuttavia, non tutte le frequenze sonore sono uguali e se un singolo altoparlante tenta di gestire l’intero spettro del suono, la qualità ne risentirà.

Ecco perché ai concerti vedrai spesso enormi pile di sistemi audio. Ogni altoparlante è progettato per gestire una gamma di frequenze specifica: subwoofer e woofer gestiscono le basse frequenze, i driver midrange coprono la gamma media e piccoli tweeter si occupano delle alte frequenze. Questi altoparlanti sono costruiti in modo diverso per gestire queste gamme distinte.

Naturalmente, la maggior parte delle persone non vuole riempire il proprio studio o soggiorno con una grande pila di altoparlanti e driver separati per ciascuna frequenza. È qui che entrano in gioco gli altoparlanti multi-driver.

Altoparlanti multi-driver

Gli altoparlanti multi-driver utilizzano due, tre o anche quattro driver di dimensioni diverse per gestire varie frequenze. Il tipo più comune è l'altoparlante a due driver, spesso chiamato sistema a due vie.

All'interno di un altoparlante a due vie è presente un crossover, un componente speciale che divide il segnale audio in diverse gamme di frequenza. Le frequenze alte vengono inviate al tweeter, mentre le frequenze medie e basse vengono dirette al woofer, utilizzando filtri per dividere opportunamente le frequenze.

Utilizzando un crossover, l'altoparlante può riprodurre l'intera gamma del suono con un livello di qualità che sarebbe impossibile con un solo driver.

Tweeter e woofer

Se hai notato, la maggior parte degli altoparlanti Hi-Fi hanno più driver di diverse dimensioni sul pannello frontale. Ma perché? Sebbene in teoria un singolo driver possa riprodurre l’intera gamma di frequenze audio, esistono limitazioni pratiche a questo approccio.

Tweeter e woofer

Un piccolo driver non può spostare abbastanza aria per produrre basse frequenze ad un volume adeguato. D'altro canto, i driver più grandi, che gestiscono bene i bassi, hanno limitazioni meccaniche che impediscono loro di riprodurre in modo efficiente le alte frequenze. Un'altra caratteristica importante degli altoparlanti è la direttività, che si riferisce all'angolo entro il quale il suono è adeguatamente bilanciato. La direttività di un altoparlante dipende dalle sue dimensioni: gli altoparlanti più grandi hanno una direttività più ristretta alle alte frequenze, mentre quelli più piccoli hanno difficoltà con le basse frequenze.

Altoparlante ad alta frequenza

Per ottenere un suono bilanciato e di alta qualità su tutte le frequenze, gli altoparlanti utilizzano più driver di diverse dimensioni. Ogni driver è progettato specificamente per gestire una particolare gamma di frequenze: bassa, media o alta. Per garantire che ciascun driver riceva solo le frequenze per le quali è progettato, viene utilizzato un componente speciale noto come crossover, che divide il segnale audio in diverse bande di frequenza. Ma di questo ne parleremo la prossima volta.

Cos'è l'impedenza degli altoparlanti?

L'impedenza dell'altoparlante si riferisce alla resistenza complessiva al flusso di corrente elettrica in un altoparlante. Si misura in ohm e include sia la resistenza del filo della bobina mobile sia l'induttanza causata dal filo avvolto in una bobina. A differenza della resistenza standard, l'induttanza cambia con la frequenza del segnale, un fenomeno noto come reattanza induttiva.

A causa di questa variabile, l'impedenza differisce dalla resistenza “normale” e viene calcolata utilizzando formule complesse, che non è necessario memorizzare a meno che tu non sia un ingegnere. Ciò che è importante ricordare è che la corrispondenza dell'impedenza degli altoparlanti e dell'amplificatore è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali. Un'impedenza non corrispondente può comportare una qualità del suono inferiore, surriscaldamento e persino danni alle apparecchiature.

Quindi, assicurati sempre che i tuoi altoparlanti siano compatibili con il tuo amplificatore per evitare problemi e goderti un suono di alta qualità senza rischiare la tua attrezzatura!

Potenza degli altoparlanti e sensibilità degli altoparlanti

"Più grande è meglio è", giusto?

Non sempre. Molte persone pensano che un wattaggio più elevato negli altoparlanti significhi automaticamente un suono più forte. Ma in realtà sarai in grado di sfruttare appieno tutto quel potere?

Un modo migliore per confrontare gli altoparlanti è osservare la loro sensibilità. La sensibilità, misurata in decibel (dB), indica l'efficienza con cui un altoparlante converte l'energia elettrica in suono. Maggiore è il livello di sensibilità, maggiore sarà il suono che l'altoparlante potrà produrre con una determinata quantità di potenza. In altre parole, fa un lavoro migliore nel trasformare l’elettricità in onde sonore.

Le valutazioni di sensibilità livellano il campo di gioco quando si confrontano le prestazioni e la potenza degli altoparlanti. Tuttavia, se utilizzi un amplificatore esterno, devi comunque considerare quanta potenza possono gestire gli altoparlanti. La gestione della potenza indica la quantità di energia elettrica che un altoparlante può assorbire senza danneggiarsi, quindi è importante abbinare l'uscita dell'amplificatore alla potenza nominale dell'altoparlante.

La scelta tra sensibilità alta o bassa dipende dalle esigenze del sistema. Se l'efficienza energetica è importante (come negli altoparlanti portatili o nei sistemi audio per auto), ti serviranno altoparlanti con una sensibilità più elevata. In una configurazione audio professionale, d'altra parte, potresti aver bisogno di altoparlanti con una capacità di potenza maggiore.

Risposta in frequenza

Quando parliamo della risposta in frequenza di un altoparlante, discutiamo della sua capacità di riprodurre il suono su diverse gamme di frequenza. Poiché nessun altoparlante è perfetto, un grafico della risposta in frequenza aiuta a rivelare le frequenze in cui l'altoparlante può enfatizzare eccessivamente o sottoperformare.

La risposta in frequenza è importante per diversi motivi. Innanzitutto, è fondamentale quando si progettano sistemi multi-driver e si impostano i crossover, che dividono le frequenze tra driver diversi. In secondo luogo, ti aiuta a scegliere gli altoparlanti giusti per le tue specifiche esigenze audio, sia che si tratti di lavoro in studio professionale o di ascolto di musica domestica.

Molti altoparlanti di livello consumer sono intenzionalmente sintonizzati con una leggera curva "sorriso" nella loro risposta in frequenza per migliorare l'esperienza sonora. Tuttavia, se lavori nella produzione musicale, hai bisogno di altoparlanti con una risposta in frequenza piatta. Ciò garantisce che nessuno strumento o campione venga mascherato da cali nella gamma di frequenza o potenziato artificialmente da picchi.

In sostanza, gli altoparlanti con una risposta in frequenza piatta forniscono un suono accurato e pulito, che riflette fedelmente la sorgente audio originale, il che è fondamentale per un mixaggio e un mastering precisi.

E le cuffie?

Le cuffie utilizzano la stessa tecnologia dei driver degli altoparlanti ma su scala ridotta. Essenzialmente, sono piccoli altoparlanti che si posizionano sopra o all'interno delle orecchie, offrendo un suono personalizzato.

Come funzionano gli altoparlanti stereo?

Un singolo altoparlante in genere riproduce l'audio in mono. Per ottenere un palcoscenico sonoro completamente stereo, sono necessari due altoparlanti, ciascuno dei quali trasmette i segnali audio sinistro e destro e posizionati in modo da creare un ambiente sonoro spazioso.

Ma per quanto riguarda le soundbar? Come creano un effetto stereo?

Le soundbar progettate per l'uscita stereo dispongono di più driver disposti sul cabinet. Il segnale stereo viene suddiviso nei canali sinistro e destro e ciascun driver riceve la sua porzione per creare un'immagine stereo più ampia. Questi sistemi sono spesso dotati di un subwoofer aggiuntivo per bassi profondi, perfetto per riprodurre le basse frequenze o la voce roca di Batman.

Chi ha inventato l'altoparlante?

Come molte altre invenzioni dell'inizio del XX secolo, è difficile attribuire a una sola persona il merito di aver inventato l'altoparlante. La tecnologia si è evoluta nel tempo man mano che scienziati e ingegneri hanno acquisito una migliore comprensione delle onde sonore e delle correnti elettriche.

Alexander Graham Bell, il famoso inventore del telefono, diede un contributo significativo alla tecnologia audio, sviluppando una delle prime versioni di un altoparlante alla fine del XIX secolo. Non molto tempo dopo, Oliver Lodge creò il primo altoparlante a bobina mobile. Nel 1915, gli ingegneri danesi Peter L. Jensen e Edwin Pridham brevettarono l'altoparlante elettrodinamico, dove una bobina di filo fissata a un diaframma veniva posta in un campo magnetico.

Dall'altra parte dell'Atlantico, nel 1925, Edward W. Kellogg e Chester W. Rice svilupparono l'altoparlante dinamico con diaframma, successivamente concesso in licenza dalla RCA. Il loro design includeva molti elementi che costituiscono il fondamento della moderna tecnologia degli altoparlanti.

Quindi, si può dire con certezza che molte persone hanno contribuito allo sviluppo della tecnologia che oggi ti consente di goderti musica e film con un suono di alta qualità. Come per molte grandi invenzioni, ci è voluto davvero un villaggio per dare vita all'altoparlante moderno!

Il futuro dei sistemi acustici

La tecnologia sta diventando sempre più piccola ed economica: questo è un dato di fatto. Ma quando si tratta di altoparlanti, la tecnologia di base è rimasta praticamente invariata dalla loro invenzione.

In realtà, gli altoparlanti sono una delle tecnologie più inefficienti che utilizziamo oggi. Oltre il 99% dell'energia che entra in un altoparlante non viene convertita in suono. La maggior parte viene sprecata sotto forma di calore. È sorprendente che l'Environmental Protection Agency (EPA) non abbia ancora bandito gli altoparlanti per la loro scarsa efficienza energetica.

Tuttavia, il futuro degli altoparlanti potrebbe cambiare grazie a un nuovo materiale scoperto nel 2004: il grafene. Questo materiale è incredibilmente leggero, il che significa che richiede molta meno energia per spostarsi avanti e indietro per creare onde sonore. Questa è un'ottima notizia, soprattutto per i tweeter, che necessitano di materiali così leggeri per funzionare in modo efficiente alle alte frequenze.

Se gli scienziati riuscissero ad aumentare con successo la produzione di grafene e a integrarla in prodotti commerciali, gli altoparlanti del futuro potrebbero essere più leggeri e molto più efficienti dal punto di vista energetico.

Fino ad allora, dovremo accontentarci di ciò che abbiamo adesso: mini stufette che convertono i segnali elettrici in variazioni di pressione dell'aria, note anche come altoparlanti.