Curiosando : altoparlanti di ieri e di oggi

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Alvaro
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Curiosando : altoparlanti di ieri e di oggi

Messaggio da Alvaro » mer mar 05, 2008 3:24 pm

Premessa: non tratto l’altoparlante dal punto di vista delle formule del taglio di frequenza, risposta in frequenza, ecc., ma solo dal lato della sua costruzione e del suo funzionamento. Nella fattispecie tratto l’altoparlante di tipo elettrodinamico.


Gli altoparlanti, si sa, sono dispositivi che ci permettono di riprodurre suoni. Dalla musica alle canzoni, dai rumori alle parole. A partire da certe dimensioni e/o potenze li chiamiamo anche coni, vuoi perché assomigliano un po’ ad un cono vuoi perché il cono è una sua parte costituente.

Per definizione l’altoparlante è un trasduttore atto a trasformare una corrente elettrica detta fonica, poiché riproduce con la massima fedeltà possibile una successione di suoni, in oscillazioni dell’aria circostante costituenti gli stessi suoni, con potenza sufficiente per una buona udibilità.

Di altoparlanti ne esistono di svariate dimensioni, da quelli estremamente ridotti per ascolto strettamente personale come gli auricolari a quelli di grande diametro per riproduzioni sonore sia in ambienti chiusi che aperti che possono essere ascoltati da più persone contemporaneamente.

Solitamente non si maneggia mai l’altoparlante vero e proprio, ma si maneggia sempre una “cassa” che altro non è che un contenitore appositamente calcolato in volumetria d’aria interna, adatto a contenere un certo tipo di altoparlante. Quasi sempre nelle casse ci sono più altoparlanti di forme e caratteristiche intrinseche diverse, adatti ognuno a riprodurre meglio una particolare “fetta” dello spettro audio udibile. Così possiamo avere casse ad una, due, tre vie, ecc.

Nella vita quotidiana abbiamo a che fare con gli altoparlanti più di quanto ce ne possiamo rendere conto. Ad esempio quando utilizziamo il cellulare per effettuare una conversazione telefonica, quando ascoltiamo la radio o un programma televisivo, quando andiamo al cinema a vedere un film. La loro sorgente sonora è l’altoparlante.

Se dal punto di vista applicativo e soprattutto commerciale conosciamo gli altoparlanti più che altro con il nome di sub, woofer, mid-range, full-range, tweetter, forse li conosciamo un po’ meno dal punto di vista del loro principio di funzionamento.

Infatti, in base a come funzionano abbiamo le seguenti classi:

- Elettrodinamici a bobina mobile (meglio magneto/elettrodinamici)
- Magnetici ad armatura mobile (o a nastro)
- Elettrostatici
- Piezoelettrici
- Magnetostrizione

Come detto in questa curiosata parliamo degli elettrodinamici.

Il loro principio di funzionamento è il magnetismo. O meglio: l’interazione tra campi magnetici. Uno di tipo permanente e l’altro di tipo temporaneo.

Tuttavia quando vennero costruiti la tecnologia non metteva a disposizione i moderni materiali di sintesi per costruire calamite (o magneti) artificiali e anche le macchine magnetizzatrici non erano efficienti come oggi. All’inizio l’altoparlante non era di tipo elettrodinamico, bensì elettro-magneto-dinamico. Al posto del magnete permanente c’era un elettromagnete che, alimentato in tensione continua, svolgeva le funzioni del magnete permanente odierno.
In questa curiosata vedremo, soprattutto nella sezione fotografica, proprio l’evoluzione che hanno avuto: da un elettromagnetodinamico ad un moderno elettrodinamico.

Prima un po’ di parole.

Cominciamo con uno schizzo che ci mostra un odierno elettrodinamico in sezione:

Immagine Sezione schematica del'altoparlante

Il magnete permanente, qualunque forma abbia, ha due polarità magnetiche che per convenzione si chiamano Nord (N) e Sud (S). Esso si presenta come una ciambella attraversata dal traferro. Sull’altra faccia del magnete è presente un altro disco di metallo, forato al centro. Queste due parti di metallo costituiscono il circuito magnetico. Sulla parte terminale del cono c’è un piccolo cilindro su sui sono avvolte un certo numero di spire di filo di rame smaltato per avvolgimenti. Il loro numero varia in base a vari fattori, e questo variare del numero delle spire e della sezione del filo impiegato determina, espressa in ohm, l’impedenza dell’altoparlante. Questa bobina mobile, mediante lo spider, rimane perfettamente centrata e libera di traslare sul traferro (che è di forma cilindrica). Ovviamente il tutto si gioca in decimi di millimetro. Lo spazio che rimane tra l’espansione polare (il foro del disco metallico superiore) ed il traferro (che è un’espansione polare anche lui) invero si gioca su pochissimi millimetri, e in questo spazio deve passare il cilindro di armatura della bobina e la bobina stessa, senza toccare assolutamente nessuna parte metallica.

Da ciò risulta evidente che l’altoparlante è un dispositivo di precisione e anche delicato. Quando una bobina elettrica avvolta su metallo, o come in questo caso in cui al suo interno di trova il corrispondente cilindro di metallo del traferro, viene attraversata da corrente elettrica,
essa diviene sede di f.e.m. indotta e genera campo magnetico.

Dato che due campi magnetici di segno contrario si attraggono e di segno uguale si respingono, i due campi magnetici, quello generato dal magnete permanente e quello generato dalla bobina elettrica, interagiscono.

Un campo magnetico generato da una corrente continua genera un campo magnetico costante: le polarità N e S che si formano rimangono stabili. Possono invertirsi solamente invertendo le polarità dell’alimentazione. Un campo magnetico generato da una corrente alternata invece genera sempre le polarità N e S ma esse si invertono tra loro in base alla frequenza dell’alimentazione.
Se l’altoparlante fosse un motore si metterebbe a girare. Magnete e traferro sono solidali con il telaio dell’altoparlante e non possono muoversi. La bobina è solidale sul cilindro su cui è avvolta ed è solidale con il cono. L’unica cosa che può muoversi è il cono tramite le sue sospensioni. Quando c’è interazione tra i campi magnetici la bobina trasla sull’asse del traferro, e durante la sua traslazione trascina con se il cono.

Supponiamo di guardare il cono di un altoparlante e mentre lo guardiamo alimentiamo la sua bobina con una tensione continua, ad esempio 1,5v tramite una comunissima pila. Si vedrebbe il cono spostarsi tutto in una direzione: ad esempio tutto in avanti. Se ora invertissimo le polarità della pila si vedrebbe il cono spostarsi tutto nella direzione opposta.

Così:

Immaginemovimenti del cono in base alla polarizzazione della bobina mobile

Se avete un VECCHIO altoparlante di diametro abbastanza grande, elettricamente efficiente e senza impedimenti meccanici, che non vi serve più e fate la prova, vedrete chiaramente il cono muoversi.

ATTENZIONE : NON FATE MAI QUESTA PROVA SU CONI NUOVI o in servizio: sebbene la tensione di 1,5 V e la corrente che può circolare nella bobina (ad esempio, con una bobina da 4 ohm scorrerebbero 1,5 / 4 = 0,375 A ossia 375 milliampere) possono essere sopportate dall’altoparlante per pochissimi istanti senza causargli danni irreversibili, considerate questa prova DELETRIA per l’altoparlante. Se dovete provare la bobina usate anzi un tester.

Se al posto della continua impieghiamo alternata il cono dell’altoparlante si muoverà nei due sensi, giusto la frequenza della tensione.

L’uscita BF dell’amplificatore contiene appunto il segnale alternato della sorgente sonora. Il cono dell’altoparlante, fatto muovere balla bobina, si sposta in avanti o indietro a seconda del segnale in arrivo. Questi rapidissimi spostamenti fanno riprodurre all’altoparlante il segnale sonoro inviatogli dall’amplificatore.

Tuttavia questo tipo di altoparlante presenta un inconveniente: una certa inerzia dovuta a tutta la massa in movimento, per cui c’è la necessità di avere a disposizione altri tipi di altoparlanti che siano molto più veloci nello svolgere il loro compito e da qui ecco gli elettrostatici, i piezoelettrici e via, ma ciò non riguarda questa curiosata.

Come accennato i moderni elettrodinamici o magneto-dinamici sono un’evoluzione del primo elettro/magneto/dinamico. Se di questo hanno mantenuto inalterato il concetto base di funzionamento, l’interazione tra due campi magnetici, si sono evoluti i materiali con cui è costruito e soprattutto si è evoluto il sistema magnetico: da elettromagnetico all’inizio a magnetico puro ora. Gli attuali altoparlanti, siamo abituati ormai, hanno un magnete tondo di speciale materiale (alnico) che permette un flusso magnetico assai elevato rispetto ai precedenti. Soprattutto è stata eliminata la possibilità che l’altoparlante stesso fosse generatore di rumore derivante dalla non perfetta linearità e costanza della tensione continua di alimentazione della bobina dell’elettromagnete di campo. GGrazie a questo tipo di magnete tondo, opportunamente dimensionato, si possono costruire altoparlanti in grado di funzionare a potenze di pilotaggio (da parte degli amplificatori) elevate.

Ci fu una gamma “intermedia” di altoparlanti elettrodinamici (o magneto/elettro/dinamici) che mantennero invariata la forma del traferro per poi essere abbandonata a favore di quella tonda attuale.

Prima di passare alla sezione fotografica, vediamoli un attimo in schizzo:

Immagine Evoluzione soprattutto del nella parte del circuito magnetico

Quando venne costruito il campo magnetico era generato da una bobina alimentata a tensione continua (A). Successivamente venne introdotto il magnete permanente. Questo magnete era di forma cilindrica. In giallo in (B). Per un certo periodo rimasero così. Quindi si passò a quella che è la soluzione attuale in cui il magnete è di forma toroidale. In giallo in (C).

Anche se è cambiato qualcosa pure a livello del cono, quali i materiali e le tecnologia con cui vengono realizzati, la vera evoluzione è stata nella parte magnetica.

Ed ora passiamo alla sezione fotografica, la parte forse più interessante di tutta questa curiosata in cui vediamo dal vero questi tre altoparlanti.

Cominciamo con quello più vecchio: progenitore di quelli moderni.

Immagine Vista anteriore dell'altoparlante

Il cono visto dal davanti. Apparentemente sembra un comune cono.

ImmagineVista posteriore dell'altoparlante

Il cono visto da di dietro. Notate il grosso circuito magnetico.

Immagine

Il cono visto di lato. Ecco la bobina “eccitatrice” dell’altoparlante.

Immagine

I collegamenti elettrici dell’altoparlante: necessitano 4 fili: due per la tensione di alimentazione dell’elettromagnete e due per la bobina del cono.

ImmagineBobina eccitatrice e morsettiera dei collegamenti

Al vertice del cono. Si nota il cilindro su cui è avvolta la bobina mobile del cono ed il sistema di sospensione/centraggio. In questo tipo di altoparlante ancora non c’era lo spider.

Immagine

Immagine

Una vista dell’altoparlante. (la spina multipla in basso sulla dx non centra niente: l’ho usata come sostegno)

Immagine

Questo altoparlante, di potenza inferiore ai 10 W necessitava di una alimentazione di 300 V continui. La bobina mobile, come ancora oggi ha un’impedenza di 8 ohm.

ImmagineLa targhetta originale dell'altoparlante

targhetta dei dati dell’altoparlante:

CGE – Compagnia Generale di Elettricità – Milano
Altoparlante tipo : CEA 2190
Tensione di campo : 300 V
Impedenza bobina fonica : 8 ohm

Ed ora la parola finale alla bilancia: quasi 9,5 Kg

Immagine

Il peso non era dovuto tanto al cono ed alle bobine, ma a tutta la struttura metallica costituente il telaio dell’altoparlante ed al massiccio traferro usato per il circuito magnetico

Poi ci fu una serie intermedia, come detto venne adottato un magnete permanente a cilindro.

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Il cono visto dal davanti. Fondamentalmente rispetto al precedente è cambiato poco o nulla.

Immagine

Come notate la forma del gruppo magnetico rimase invariata.

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Il telaio ha mantenuto la forma classica ma è in lamiera stampata.

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Pur conservando una struttura alquanto massiccia il circuito magnetico si è notevolmente ridotto.

Immagine

Ecco un primo piano del circuito magnetico: compare il magnete permanente (il cilindro nero). La coppetta dorata è di ottone ed ha la funzione di proteggere la bobina mobile.

Immagine

Compaiono i morsetti di collegamento della fonica e i fili ultraflessibili che portano alimentazione alla bobina mobile i cui terminali sono attestati sul cono stesso.

Immagine

Compare lo spider. La parte arancione visibile nella foto. La funzione dello spider è multipla: serve a tenere centrata la bobina mobile ed il cono, è flessibile per impedire ostacoli al funzionamento del cono ed inoltre protegge la bobina mobile da eventuali corpi estranei (soprattutto polvere) che provocherebbe inceppamenti meccanici.

La bobina mobile ha un’impedenza di 8 ohm e l’altoparlante una potenza di 25 W

La parola finale ancora alla bilancia: 3 Kg.

Immagine

Questo è un moderno altoparlante dual-cone. (doppio cono). Installato su un amplificatore da 50 W per strumenti musicali.

Immagine

Il telaio, come si nota, ha assunto ormai la forma definitiva: strutture robuste ma al contempo leggere. Ovviamente ogni altoparlante ha poi un telaio con un disegno tutto suo a seconda del modello e del Costruttore.

Il gruppo magnetico ha ormai trovato la sua forma definitiva: è rotondo e di tipo chiuso.

Immagine

Immagine

Anche tutta la struttura è stata ridimensionata.

Immagine

Lo spider è stato migliorato in flessibilità.

Bobina mobile da 8 ohm e potenza di 50 W.

Diamo la parola per l’ultima volta alla bilancia: 1 Kg.

Immagine

Anche se sapete come è fatta, diamo un’occhiata alla bobina di un altoparlante a tromba che, per le sue caratteristiche, si presta meglio di ogni altro ad essere smontata (infatti vengono vendute le “membrane” di ricambio con annessa bobina).

Immagine

Il magnete è tondo. Il magnete permanente è l’anello scuro che sborda dalla placca di metallo costituente parte del circuito magnetico.

Immagine

La parte superiore del magnete. Al centro si nota la parte cilindrica del traferro sulla quale scorre senza toccarlo la bobina mobile. L’altra placca fa parte del circuito magnetico. Cilindro interno e placca sono le espansioni polari. All’interno della fessura circolare si infila e scorre, senza attrito alcuno, la bobina mobile.

Il magnete toroidale

Immagine

la membrana con il relativo supporto e i connettori elettrici della bobina mobile.

Immagine

La membrana vista da sotto: si nota il piccolo cilindro su cui è avvolta la bobina mobile.

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vista della bobina mobile.

Immagine

montandola sul circuito magnetico si completa l’altoparlante. Manca ovviamente tutta la struttura a forma di tromba.

Immagine

Alla prossima curiosata.

ciao - alvaro

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Messaggio da paride » mer mar 05, 2008 8:11 pm

ciao alvaro
volevo chiederti una cosa:
ma se la tensione che arriva all'altoparlante è in BF alternata come mai sui terminali dell'altop stesso riportano i simboli di positivo e negativo?
ciao

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Messaggio da Antonio Marcheselli » mer mar 05, 2008 8:47 pm

per non connetterli controfase. Te sai che collegando il + al + con segnale positivo hai movimento in avanti del cono.

Il cono suona uguale anche se lo colleghi al contrario ma tipicamente deve interagire con altri coni ed è bene che vadano tutti nella stessa direzione :)

Grazie Alvaro!!

Ciao
A

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Messaggio da Cris78 » mer mar 05, 2008 11:01 pm

E se non sbaglio se sono collegati in controfase in un sistema stereofonico, si ha anche un taglio delle frequenze più basse (non sono sicuro però).
Se hai un ampli stereo con il bilanciamento del canale destro e sinistro a potenziometro, se lo giri tutto sul sinistro per esempio, la cassa suona giusta, ma quando è in stereo mi sembra che vengono tagliate delle frequenze....
Però ripeto, non sono sicuro di questa cosa...

Ciao

[bye]
[Cris78]

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Messaggio da Antonio Marcheselli » mer mar 05, 2008 11:28 pm

Sì, il controfase comporta l'annullamento di alcune frequenze, specialmente le basse ma non solo.

Ciao
A

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Messaggio da paride » gio mar 06, 2008 2:55 pm

capito,
quindi la 'polarità' sugli altoparlanti serve solo come riferimento nel caso ne volessimo collegare più assieme..
Nel caso del singolo altoparlante collegato all'amplificatore questo dettaglio è trascurabile? Ho detto giusto?

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Messaggio da Antonio Marcheselli » gio mar 06, 2008 3:05 pm

nel dubbio rispetta la polarità :)

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Messaggio da paride » gio mar 06, 2008 7:54 pm

ok :)

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Messaggio da Tobia » gio mar 06, 2008 11:39 pm

Ci sono delle casse con 2 serie di coni messi a 90° che lavorano in controfase, quando una serie esce l'altra entra... li ho visti una volta ad un concerto.

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Messaggio da Antonio Marcheselli » ven mar 07, 2008 4:21 am

Sì ma il connettore dietro sarà unico o comunque codificato per essere connesso nel modo giusto!

Ciao
A

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Messaggio da Walter » ven mar 14, 2008 7:54 pm

Per qualche oscuro motivo fisico, quando le mie casse erano appese con la tromba in basso, per farle suonare correttametne il buon antonio le dovette collegare controfase: una volta raddrizzate per avere la resa corretta fu necessario correggere la fase!

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