Guida completa alla selezione degli altoparlanti

Gli altoparlanti sono fondamentali nei sistemi audio, in quanto fungono da trasduttori che convertono i segnali elettrici in onde sonore udibili dall'utente. Per comprendere appieno il loro ruolo nella riproduzione del suono, è importante esaminare i principi tecnici alla base del loro funzionamento e i componenti chiave coinvolti. Questo articolo esamina nei dettagli la tecnologia degli altoparlanti, compresi i principi di funzionamento fondamentali, le specifiche importanti, le considerazioni sulla progettazione, i tipi di coni e magneti e altro ancora.

Principi base degli altoparlanti

La produzione del suono in un altoparlante è un processo molto sofisticato, che sfrutta i principi dell'elettromagnetismo e del movimento meccanico. Tutto parte da un segnale elettrico, che rappresenta il contenuto audio da riprodurre. Questo segnale può provenire da varie fonti, come uno smartphone, un laptop o qualsiasi altro dispositivo audio che genera impulsi elettrici. Che si tratti della melodia di una canzone, della chiarezza di un podcast o degli effetti coinvolgenti di un film, questo segnale è la traccia elettrica dell'esperienza uditiva che il altoparlante sta per creare.

Il cuore dell'altoparlante ha alcuni componenti chiave: la bobina vocale e il magnete permanente. La bobina vocale, in genere un filo avvolto strettamente, è collegata a un cono o diaframma flessibile. Questa bobina circonda un magnete permanente, che costituisce il nucleo della produzione del suono. Quando il segnale elettrico passa attraverso i cavi dell'altoparlante, eccita la bobina vocale, innescando una sequenza di azioni guidate da forze elettromagnetiche. La corrente elettrica genera un campo magnetico intorno alla bobina, la cui polarità si sposta in base al cambiamento del segnale elettrico.

Il funzionamento dell'altoparlante dipende dall'interazione tra questi campi magnetici. Quando i campi fluttuano, si respingono e si attraggono alternativamente, facendo muovere rapidamente avanti e indietro la bobina vocale e il cono ad essa collegato. Questo movimento oscillatorio del cono interagisce con le molecole d'aria che lo circondano, facendole vibrare in armonia con il movimento del cono.

Tali vibrazioni generano onde di pressione nell'aria, che viaggiano fino a raggiungere l'orecchio umano, dove il cervello le interpreta come suono. Questo completa il processo di percezione del suono, trasformando i segnali elettrici in ricche esperienze uditive.

Figura 1: Costruzione di base di un altoparlante (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Studiando l'anatomia di un altoparlante si scoprono diversi componenti critici che lavorano insieme per produrre il suono: il cono, la bobina vocale, la piastra, il magnete, il giogo statorico e la scheda a circuiti stampati (PCB). Le seguenti illustrazioni evidenziano la struttura interna di un altoparlante in stato smontato (Figura 2) e montato (Figura 3).

Figura 2: Esploso dei componenti di un altoparlante. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Figura 3: Vista assemblata dei componenti di un altoparlante. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Specifiche e considerazioni importanti sugli altoparlanti

Una volta assimilate le nozioni di base sul funzionamento e sulla struttura degli altoparlanti, è importante capire alcune specifiche e i criteri di prestazione fondamentali per la scelta dell'altoparlante. Questi parametri sono fondamentali per garantire che l'altoparlante soddisfi le prestazioni audio e gli standard di affidabilità desiderati.

• Livello di pressione sonora (dB): il livello di pressione sonora (SPL) quantifica l'intensità delle onde sonore nell'aria, indicando essenzialmente il volume. Sia distanza dalla sorgente sonora sia le condizioni ambientali influiscono sull'SPL. I decibel (dB) sono l'unità di misura standard dell'SPL. Capire l'SPL è essenziale non solo per la progettazione degli altoparlanti, ma anche per valutare i livelli di rumore in vari ambienti, fondamentale per il controllo e la regolamentazione del rumore.
• Ingresso massimo (W): questa specifica indica la potenza massima che l'altoparlante può gestire per un breve periodo senza subire danni permanenti.
• Ingresso nominale (W): la potenza nominale in ingresso si riferisce al livello di potenza che l'altoparlante può gestire in sicurezza durante il funzionamento continuo e prolungato. Questo è un fattore chiave per garantire la longevità e l'affidabilità dell'altoparlante in condizioni operative normali.
• Impedenza (ohm): misura la resistenza al flusso di corrente dall'amplificatore all'altoparlante. Un'impedenza più bassa significa che l'altoparlante assorbirà più potenza, quindi è importante far coincidere l'impedenza dell'altoparlante con quella dell'amplificatore. Un corretto adattamento di impedenza è fondamentale per prestazioni ottimali, un trasferimento di potenza efficiente e una riproduzione audio ad alta fedeltà, evitando al contempo danni alle apparecchiature.
• Frequenza di risonanza (Hz): è la frequenza alla quale l'altoparlante vibra in modo più efficiente e fornisce indicazioni sulla risposta a bassa frequenza dell'altoparlante. Capire la frequenza di risonanza aiuta a confrontare le prestazioni di diversi altoparlanti, in particolare nel campo delle basse frequenze.
• Dimensioni (mm): le dimensioni fisiche dell'altoparlante influenzano direttamente il suo campo di frequenza. Gli altoparlanti più piccoli sono ottimizzati per le frequenze più alte, mentre quelli più grandi funzionano meglio alle frequenze più basse. Questa relazione è fondamentale quando si progettano sistemi per uscite audio specifiche, come bassi profondi o voci chiare nel campo di frequenza medio.
• Q totale: il parametro Thiele-Small, noto come Q totale, serve come riferimento generale per la selezione del tipo di cassa ideale per un altoparlante. Un valore di Q totale pari o inferiore a 0,4 suggerisce che l'altoparlante è più adatto a una cassa ventilata. Un valore compreso tra 0,4 e 0,7 indica che è consigliabile una cassa sigillata, mentre un valore pari o superiore a 0,7 indica che l'altoparlante è adatto a configurazioni in aria libera, con retro semi-aperto o con deflettore infinito. Tuttavia, queste linee guida non sono assolute ed è importante considerare tutti i parametri rilevanti in un progetto per ottenere le prestazioni audio desiderate.
• Protezione dalle infiltrazioni: gli altoparlanti possono avere diversi gradi di protezione (IP) per i progetti che devono affrontare l'umidità e i contaminanti presenti in ambienti difficili.
• Stile di montaggio: a seconda delle esigenze applicative, gli altoparlanti sono disponibili in una varietà di stili di collegamento, tra cui foro passante, conduttori, terminali a molla e altri.

Figura 4: Configurazioni di collegamento più diffuse per gli altoparlanti. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Misurazioni e test per gli altoparlanti

Dopo aver scelto un altoparlante in base alle specifiche chiave menzionate in precedenza, è importante eseguire ulteriori misurazioni e test per assicurarsi che l'altoparlante sia correttamente integrato nel progetto e che funzioni secondo le aspettative. I servizi di progettazione audio di Same Sky offrono assistenza per queste misurazioni e test critici:

• Risposta in frequenza: visualizza la capacità dell'altoparlante di riprodurre l'intero campo di frequenze udibili. Due post nel blog di Same Sky sul campo di frequenza audio e sulla frequenza di risonanza illustrano in modo più dettagliato i grafici della risposta in frequenza.
• Sweep di frequenza a gradini: affronta le frequenze alias per un'analisi più dettagliata della risposta in frequenza.
• Livello e guadagno: determina la capacità di emissione di energia dell'altoparlante. Si misura dividendo il livello di uscita di un dispositivo per il suo livello di ingresso.
• Distorsione armonica totale più rumore (THD+N): la distorsione armonica si verifica quando al segnale audio si aggiungono toni indesiderati che compromettono la qualità del suono. THD+N è un numero singolo che indica le prestazioni, ampiamente compreso e accettato.
• Fase: descrive lo scostamento temporale tra una forma d'onda e un segnale di riferimento. Le due misurazioni di fase principali nella progettazione audio sono la fase di ingresso/uscita del dispositivo e la fase intercanale, che assicura la corretta sincronizzazione tra più altoparlanti in un sistema.
• Rub&Buzz: rileva i prodotti armonici a più alta frequenza generati in risposta a uno stimolo a bassa frequenza, che può aiutare a identificare i difetti che causano il rumore indesiderato.
• Parametri Thiele-Small: questa serie di misurazioni registra l'impedenza complessa di un altoparlante testato e fornisce parametri elettromeccanici che ne definiscono le prestazioni a bassa frequenza. I parametri Thiele-Small, compreso il Q totale, sono essenziali per la progettazione di altoparlanti e per i test di produzione, in quanto descrivono il modo in cui l'altoparlante interagirà con la sua cassa.
• Impedenza: la misurazione dell'impedenza è fondamentale per capire la resistenza che l'altoparlante oppone al flusso di un segnale c.a., come l'audio proveniente da un amplificatore. L'impedenza si misura in ohm e influisce sulla potenza che l'altoparlante assorbirà dall'amplificatore, nonché sull'efficienza delle sue prestazioni.

Tipi di coni e magneti per altoparlanti

Il materiale del cono di un altoparlante influisce notevolmente sulla qualità del suono. Sebbene i dati siano utili, l'ascolto e i test sono fondamentali. La durata varia a seconda del materiale: la plastica è la più resistente, seguita da carta e stoffa e poi dalla schiuma. La durata dipende anche dall'umidità, dall'ambiente e dall'applicazione. Ecco un riepilogo dei materiali comuni per i coni:

• Plastica: durevole e resistente alla polvere e all'acqua, con precise tolleranze di fabbricazione che riducono la distorsione e migliorano la qualità del suono. I costi variano a seconda dello spessore e delle tecniche di produzione.
• Carta e tessuto: offrono un suono e smorzamento ottimali, ma possono essere influenzati dall'umidità. Realizzati con fibre di legno e additivi, sono spesso utilizzati in altoparlanti di grandi dimensioni per la loro leggerezza.
• Schiuma: raramente utilizzata da sola, la schiuma viene combinata con materiali come il metallo o la carta per attenuare la perdita interna, ottenendo un suono più naturale.

Anche il tipo di magnete è un fattore cruciale nella costruzione e nelle prestazioni di un altoparlante. Ecco una sintesi dei tipi più comuni utilizzati negli altoparlanti:

• Ferrite: a basso costo e durevole, con una buona resistenza alla corrosione, ma pesante e non ideale per l'uso portatile. Le prestazioni sono buone nel campo vicino alla capacità massima.
• Lega Al-Ni-Co: offre una tonalità classica ed è meno incline alle crepe, ma è più costosa. Oggi meno comune, è utilizzata in applicazioni di fascia alta.
• Neodimio (NdFeB): leggero e con un'elevata intensità di campo, ideale per piccoli altoparlanti ad alto SPL. Offre una buona risposta in frequenza, ma può frantumarsi facilmente.
• Cobalto di samario: costoso, ma eccellente per resistenza alla corrosione e stabilità termica. È meno resistente e tende a frantumarsi.

Conclusione

Capire la meccanica degli altoparlanti aiuta gli ingegneri a creare esperienze audio coinvolgenti. Questo articolo ha evidenziato i vari componenti e le specifiche necessari per la scelta dell'altoparlante giusto. Tuttavia, anche con una solida conoscenza di questi parametri, i test e le misurazioni del progetto finale sono fondamentali per il successo. Same Sky offre una gamma di altoparlanti miniaturizzati e standard, oltre a servizi di progettazione audio, per assistere in ogni fase del processo.