Suoni, altoparlanti e diffusori

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l_pisani_54
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Suoni, altoparlanti e diffusori

#1 Messaggio da l_pisani_54 » giovedì 28 ottobre 2010, 12:46

Nella catena di un impianto HiFi, il suono delle voci e degli strumenti attraversa i vari apparecchi, sempre sotto forma di segnale elettrico, finché, arrivato alla fine del percorso, deve essere nuovamente trasformato in onde sonore.
Per fare ciò, nel 99% dei casi si utilizza un altoparlante.
Dovendo spiegare in maniera semplice e banale (il buon Calabrese mi perdonerà per la rozzezza della descrizione), si può dire che un altoparlante è fatto da un magnete ed un cono di carta o di altro materiale a cui è collegata una bobina. Il magnete, sollecitato dal campo elettrico farà muovere la bobina che si porterà appresso il cono, generando così dei suoni.
In pratica è il funzionamento opposto a quello del microfono, dove le onde sonore fanno muovere un micro altoparlante la cui bobina mobile, spostandosi all'interno del magnete genera un segnale elettrico.

Visto che parliamo di alta fedeltà, dovremo cercare di riprodurre i suoni in maniera adeguata.
La qualità dell'altoparlante di un citofono è per esempio indicata a riprodurre al massimo la voce, ma nessuno si sognerebbe di ascoltarci la musica.
I suoni sono delle onde, come pure sono onde le trasmissioni radio e televisive.
Tutte le onde vengono misurate con una unità chiamata Hertz, che indica quante oscillazioni al secondo ha il segnale.
Per l'ascolto umano si considerano le frequenze comprese tra 16-20 Hz e 20 Khz (ovvero 20000Hz), che sono quelle percepite da un orecchio umano in buone condizioni.
Le oscillazioni con frequenze inferiori corrispondono alle frequenze basse mentre, viceversa, salendo, si arriva alle frequenze più acute.
Visto che con il passare degli anni si perde sensibilità sull'estremo superiore della banda udibile, sono sicuro che parecchi di noi … col cavolo che sentono i 20000 Hz!
L'altoparlante, per riprodurre correttamente i suoni, deve oscillare più o meno rapidamente.
Viene da se che, per riprodurre una frequenza bassa dovrà oscillare lentamente e con una elevata escursione, quindi occorrerà un altoparlante grande (scusa ancora, Fabrizio, per la rozzezza, ma ho pensato di rivolgermi a chi è completamente digiuno), mentre per le frequenze acute servirà un altoparlante piccolo ed agile, come le ali di un colibrì.
Se ci si accontenta, basta realizzare un altoparlante abbastanza piccolo (poniamo 5 10 cm di diametro), che riuscirà a riprodurre discretamente la parte centrale della gamma udibile, tralasciando gli estremi.
Ma se, viceversa, vogliamo l'alta fedeltà, ci serve TUTTO, allora l'unica possibilità sarà quella di usare più altoparlanti, di caratteristiche diverse.
Torniamo un attimo ai suoni. Ogni strumento emette delle note a cui possiamo assegnare una frequenza.
Per esempio il LA considerato standard per accordare gli strumenti di un'orchestra, corrisponde a 440 Hz.
Ma quando si accordano più strumenti sulla stessa nota, noi non li avvertiamo uguali. Cioè, se abbiamo abbastanza orecchio, sentiamo quando la nota è uguale, ma un piano ed un violino avranno un timbro diverso, comunque.
Il timbro è dato dalla composizione delle armoniche.
La scala musicale si ripete mano mano che si sale di frequenza. Lo spazio tra una nota e la stessa che incontriamo salendo di frequenza, si chiama ottava.
Il LA dell'ottava superiore si troverà esattamente ad 880 Hz, cioè ad una frequenza doppia.
Quando uno strumento emette una nota (poniamo il LA a 440 Hz), che viene definita fondamentale, vengono emesse anche delle componenti della stessa nota, riferite alle ottave superiori, chiamate armoniche, che hanno delle flrequenze multiple della fondamentale.
La quantità ed il rapporto tra queste armoniche, di fatto caratterizza la voce dello strumento, facendo distinguere un violino da una chitarra, ed anche due chitarre di marca diversa.
Torniamo agli altoparlanti.
Se non riusciamo a riprodurre le frequenze basse, perderemo una parte del programma musicale (immaginate un concerto per organo), ma se saltano gli acuti, perderemo le informazioni sulla timbrica degli strumenti, che è anche questa una grossa rinuncia.
Se qualcuno ha avuto occasione di ascoltare delle registrazioni molto antiche di musica classica, a parte il fruscio fastidioso, ricorderà gli archi completamente falsati, al punto da sembrare un'orchestra di zampogne.
Semplice, la perdita delle armoniche toglieva riconoscibilità agli strumenti.

Ora possiamo passare a parlare di altoparlanti e diffusori o casse (come si chiamavano una volta).
Premetto che esistono anche sistemi di diffusori che non usano altoparlanti tradizionali, come gli elettrostatici ed i planari, ma visto che sono poco usati, ci concentreremo sui “coni”.
La quasi totalità dei diffusori presenta almeno due altoparlanti.
In tal caso quello adibito ai bassi, più grande, cioè dai 10 13 cm nel caso dei mini diffusori, salendo fino a misure da “padella per le caldarroste”, viene chiamato woofer.
Quello dedicato agli acuti viene invece definito tweeter. Nella maggioranza dei casi si tratta di altoparlanti a cupola (dome tweeter) intorno ai 2 cm di diametro. Da fuori si vede solo questa specie di pallina sporgente, ma il loro funzionamento è identico ai coni, cambia solo la forma della membrana, più adatta ad oscillare molto velocemente.
Quindi abbiamo diviso il lavoro da fare, quello “grosso” suonerà i bassi e quello “piccolino” gli acuti, ma non è così semplice.
Se facciamo arrivare ai nostri altoparlanti specializzati tutte le frequenze, questi cercheranno di riprodurre anche i suoni non adatti alla loro conformazione, rischiando di danneggiare la qualità della riproduzione.
Per evitare ciò viene realizzato il filtro crossover.
Il crossover è un piccolo circuito elettrico, disposto all'interno del diffusore, che, per mezzo di induttanze, resistenze e condensatori, fa in modo di tagliare le frequenze acute da inviare al woofer e quelle basse al tweeter.
In realtà il crossover fa anche dell'altro, come equalizzare il suono.
Allora, abbiamo un piccolo diffusore con un woofer da 15 cm ed un tweeter a cupola da 2 cm.
Siamo abbastanza soddisfatti perché riproduce bene quasi tutto: gli strumenti suonano correttamente, perché le armoniche ci sono tutte però … i bassi ...
I bassi profondi latitano.
Il ”conino” da 15 cm fa del suo meglio, ma il contrabbasso è piccolo piccolo e le canne dell'organo si sono attappate.
Sostituiamo il 15 con un bel padellone da 30 cm, semplice, no?
Mica tanto. Il woofer da 30 cm non ha problemi in basso, ma non riesce ad arrivare a 2000 Hz, il punto in cui il vecchio woofer cedeva il passo al tweeter.
Purtroppo la sua stazza gli impedisce di salire così in alto, e si deve fermare a 300 Hz.
A questo punto viene istintivo pensare di rifare il crossover e far lavorare il tweeter fino a 300 Hz, ma ora è l'altro che non riesce a scendere così in basso.
Siamo fregati?
No, basta inventare il midrange.
Inseriamo un terzo altoparlante di caratteristiche e dimensioni intermedie e realizziamo un crossover a tre vie, con tagli a 300 e 2000 Hz.
Naturalmente non è così semplice, però questo dovrebbe aiutare a capire perché si mettono altoparlanti diversi in un diffusore, arrivando a quattro, cinque e più vie. Si definiscono vie le porzioni in cui si divide lo spettro audio in un diffusore. Attenzione che a volte si usano più altoparlanti uguali sulla stessa via.

Inseriamo ora un nuovo parametro: l'efficienza.
Finora ci siamo solo occupati di far suonare bene il nostro diffusore, ma oltre questo, quanto forte deve suonare?
Il quanto forte si misura in decibel (dB). Delle volte avrete visto delle tabelle dove sono riportati a confronto i valori del traffico cittadino, di un martello pneumatico e di un jet al decollo.
Possiamo, tanto per dare dei valori indicativi, dire che un ascolto a livello “vivace” può svolgersi con un livello medio di 80-85 dB arrivando sui picchi orchestrali tranquillamente sopra (anche di parecchio) i 100.
Un raddoppio di pressione acustica equivale a 3 dB, il che significa che per passare da 85 ad 88 servirà anche il doppio della potenza, applicata da parte dell'amplificatore.
Per sapere quanta potenza ci occorrerà, servono due dati: le dimensioni dell'ambiente e l'efficienza del diffusore.
L'efficienza si misura in dB/watt. Se parliamo di 90 dB/W/1m, significa che con un watt di potenza applicata, ad un metro di distanza, avremo 90 dB.
Un diffusore molto efficiente riuscirà a suonare forte anche con pochi watt di amplificazione, oppure riuscirà più facilmente a sonorizzare ambienti grandi purché …
… riesca a sopportare la potenza che gli viene applicata.
La potenza massima sopportata da un altoparlante dipende dalla sua struttura ed è fondamentale accertarsi che il diffusore prescelto sia in grado di raggiungere il livello di pressione sonora (i famosi decibel) richiesto, nell'ambiente in cui verrà utilizzato.
Accertato questo bisognerà dimensionare l'amplificazione in base all'efficienza del diffusore.
Naturalmente qualsiasi progettista vorrebbe ottenere un'efficienza elevata, perché non può che far piacere avere elevati volumi sonori usando amplificatori di piccole dimensioni.
L'efficienza dipende dalle caratteristiche dell'altoparlante e da come è costruito il diffusore.

Per quanto riguarda la costruzione, i sistemi sono essenzialmente tre, escludendo schemi particolari poco usati: la sospensione pneumatica, il bass reflex ed il caricamento a tromba.
La sospensione pneumatica si presenta con una cassa completamente chiusa in cui la radiazione posteriore del woofer viene controllata dall'aria contenuta all'interno.
Il bass reflex prevede un condotto con un'apertura (in genere sul frontale) per sfruttare la radiazione posteriore dell'altoparlante.
I diffusori a tromba … beh … siamo sul forum di uno dei più grossi progettisti di sistemi a tromba, non mi permetterei di spiegare come funziona questo sistema, comunque se siete andati a qualche concerto rock, sicuramente li avete visti.
Ma quello che ci importa, in questa fase, è capire cosa comporta utilizzare un sistema od un altro.
La sospensione pneumatica fu inventata dai tecnici dell'AR per ottenere dei diffusori abbastanza piccoli da essere inseriti in un appartamento, senza rinunciare ai bassi. Purtroppo la sua efficienza è in genere bassa, diciamo in media 87 dB/W/1m.
Il bass reflex, con dimensioni simili alla sospensione pneumatica, si permette un po' più di efficienza, diciamo 90/W/1m. I primi modelli avevano spesso un basso un po' “slabbrato”, ora i progetti sono stati affinati e vanno decisamente meglio.
Le trombe sono affascinanti ma ingombranti, almeno se si vogliono i bassi profondi, perché le dimensioni dei condotti devono sottostare alle leggi fisiche, ma questo se volete, ve lo spiega Fabrizio. In compenso sono molto efficienti si parla spesso di valori largamente superiori ai 100dB/W/1m.
I valori di efficienza riportati sono assolutamente indicativi perché questo parametro dipende molto anche dalle caratteristiche dell'altoparlante.

Beh, penso che possa bastare, diciamo che ora potete cominciare a guardare con occhio diverso quegli scatoloni con gli altoparlanti.
Leonardo

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