ALTOPARLANTE

ALTOPARLANTE (fr.: haut parleur; ingl.: loudspeaker; ted.: Lautsprecher)

Dispositivo elettroacustico atto a trasformare energia elettrica a frequenza acustica in energia acustica e in quantità tale da irradiare sufficiente potenza in una stanza o all'aria aperta; analogamente al ricevitore telefonico, dal quale si distingue per la quantità di energia in gioco, necessariamente più grande, è sempre ed essenzialmente costituito da una membrana M che funziona da organo di accoppiamento con l'aria circostante e da un dispositivo elettromeccanico P atto a far vibrare la membrana sotto l'azione della corrente elettrica (fig. 1).

Un altoparlante ideale dovrebbe produrre nell'aria ambiente un'onda sonora esattamente corrispondente, come frequenza e come ampiezza, alla corrente elettrica a frequenza acustica con la quale esso viene alimentato. Poiché i limiti estremi delle frequenze udibili sono 16 Hz per le frequenze basse e 20.000 Hz circa per quelle alte, la caratteristica suddetta dovrebbe essere rispettata entro tali valori; ma in pratica si considera già ottimo un altoparlante quando la sua curva di risposta si estende da 50 a 10.000 Hz.

Membrane. - Quando un diaframma vibrante è posto in contatto con l'aria, la sua attitudine al moto risulta alterata; l'impedenza incontrata dalla superficie di una membrana in tali condizioni viene chiamata impedenza di radiazione, e la parte resistiva resistenza di radiazione. L'impedenza di radiazione dipende dalle dimensioni della membrana, dalla sua forma, dagli oggetti e dal mezzo che la circondano e dalla frequenza della vibrazione (v. vibrazioni, in questa App.).

Assimilando la membrana ad uno stantuffo che si muove al centro di uno schermo infinito, piano e non assorbente, le caratteristiche impedenza e resistenza di radiazione sono quelle mostrate nella fig. 2 (Raleigh); esse si possono assumere come condizioni generali di lavoro di una membrana di altoparlante, per qualsiasi tipo. Da tale figura si desume che, quando il diametro della membrana è piccolo rispetto alla lunghezza d'onda del suono irradiato (inferiore a

e quindi

la resistenza di radiazione è circa proporzionale al quadrato della frequenza. D'altra parte, per una membrana che lavora in tali condizioni, la potenza irradiata è Wa = r. v.², essendo r la resistenza di radiazione e v la velocità di spostamento della membrana stessa. In questa gamma di frequenza, quindi, per irradiare una potenza costante, occorre che la velocità di spostamento varî inversamente alla frequenza. Tale effetto è di solito ottenuto portando la risonanza propria della membrana (o meglio di tutto il complesso vibrante di cui la membrana fa parte) in corrispondenza della frequenza più bassa che si vuole irradiare; si dice in tal caso che il sistema è controllato "per inerzia".

Con le dirriensioni di membrane che vengono usate normalmente, queste condizioni possono verificarsi sino a frequenze non superiori a 1000 Hz. Per le frequenze più alte, la membrana non agisce più come un pistone, ma deve considerarsi costituita da tanti anelli, ognuno dei quali vibra con caratteristiche proprie. Il comportamento ne può essere studiato considerandone separatamente diversi tratti, ognuno dotato di massa e resistenza di radiazione propria, e collegato con gli altri attraverso elementi di cedevolezza definita.

Negli altoparlanti ad alta fedeltà si tende a usare più membrane, preferibilmente eccitate ognuna da un proprio motore, ed ognuna studiata per una ristretta gamma di frequenza.

La membrana deve presentare una elevata rigidità nel senso dello spostamento, affinché possa assimilarsi quanto più possibile ad un pistone. Perciò le si dà la forma di un cono, il cui vertice è collegato al sistema vibrante, mentre i bordi sono sostenuti da un sopporto flessibile, che permette spostamenti assiali. Migliore risposta alle frequenze elevate si ottiene da membrane a sezione esponenziale, la cui generatrice cioè non è una retta, ma un tratto di curva a incremento esponenziale.

Le membrane sono di solito di carta, incollate o meglio ottenute direttamente dalla pasta di carta senza giunture. La forma, il peso, le caratteristiche della carta, le corrugazioni anulari e longitudinali variano secondo i costruttori.

Negli altoparlanti a tromba le membrane sono spesso di duralluminio; si hanno anche esempî di membrane stampate in resine poliviniliche.

Schermi e trombe. - L'altoparlante, come descritto, deve essere usato sempre applicato ad uno schermo di appropriate dimensioni; le caratteristiche di fig. 2 infatti valgono soltanto, come già accennato, se la parte anteriore e quella posteriore della membrana sono separate tra di loro, poiché l'onda di pressione e quella di depressione si eliderebbero a vicenda nella gamma di frequenza considerata. Perciò l'altoparlante viene applicato in corrispondenza di un foro delle dimensioni della membrana, praticato in un pannello possibilmente di materiale afono, ad evitare risonanze non volute.

Nei radioricevitori, questo pannello può essere costituito dalla parte anteriore del cofano o del mobile in cui è contenuto il ricevitore stesso; in questo caso alcuni costruttori cercano di migliorare la risposta, specialmente alle basse frequenze, con cavità risonanti ricavate nell'interno del mobile stesso, funzionanti come risuonatori di Helmholtz (fig. 3).

Per migliorare il rendimento e la risposta, l'altoparlante costruito in modo particolare, può venire munito di una tromba, che agisce come un trasformatore acustico di impedenza, accoppiando la membrana vibrante all'aria ambiente. Il tipo di tromba generalmente usato è quello esponenziale, in cui l'area della sezione varia con legge esponemiale A = A₀ e^mx, essendo A₀ l'area iniziale, alla gola, e x la distanza dall'origine della sezione corrispondente ad A.

Tale tromba permette di mantenere quasi costante alla gola la resistenza di radiazione, dai valori più alti di frequenza sino a quella corrispondente ad una λ, per cui il diametro della bocca della tromba è

Sotto tale frequenza la radiazione scende rapidamente a zero.

L'accoppiamento della gola della tromba alla membrana avviene per mezzo di una speciale camera, e la membrana stessa (costruita in tal caso, come già accennato, di duralluminio) assume forme particolari.

Questi altoparlanti a tromba vengono usati specialmente all'aperto o in grandi locali, come cinema, teatri, ecc.

Rendimemo e risposta. - Il rendimento degli altoparlanti, intesi come macchine elettriche che trasformano energia elettrica in energia acustica, è assai basso; esso varia da un minimo di 0,5% per i tipi a semplice membrana, di piccolo diametro, ad un massimo del 20% per i tipi a tromba. Ancora minore risulta il rendimento se si considera, come si fa di solito, anche la perdita dovuta alla variazione di impedenza elettrica alle varie frequenze, che si riflette sulle valvole elettroniche, che di solito forniscono la corrente elettrica a frequenza acustica.

Nella fig. 4. è mostrata una curva tipo di direttività di un altoparlante a membrana, senza tromba, in funzione delle varie frequenze; come si vede, l'angolo solido di irradiazione si restringe man mano che aumenta la frequenza. La fig. 5 mostra la curva di risposta alle varie frequenze di un buon altoparlante per radiodiffusione.

Varî tipi di altoparlanti. - L'altoparlante elettrodinamico è il più diffuso; il motore è costituito da un conduttore percorso dalla corrente elettrica a frequenza acustica, immerso in campo magnetico le cui linee di forza sono trasversali rispetto alla ditezione del moto vibratorio che si vuole ottenere. La fig. 6 mostra la realizzazione costruttiva di tale altoparlante. Il campo magnetico, che può essere mantenuto da un magnete permanente o da un elettromagnete, ha una forma anulare attorno ad un nucleo cilindrico, in modo che le linee di forza risultano radiali. Il conduttore collocato in questo spazio anulare è costituito da una bobina cilindrica di filo di rame o di alluminio, detta "bobina mobile". Al passaggio della corrente nella bobina, questa tende a muoversi in direzione ortogonale a quella delle linee di forza magnetiche, cioè secondo il proprio asse; essa è collegata al vertice della membrana conica, cui trasmette il movimento vibratorio e che irradia cosi energia acustica. La bobina deve essere sospesa nel traferro del magnete, senza toccare quest'ultimo in alcun punto; essa è perciò sostenuta da un dispositivo centratore, costituito da un anello traforato di sottile materiale flessibile (carta, cartone, bachelite, ecc.), collegato all'interno alla bobina mobile fissato all'esterno ad un supporto rigido.

La membrana deve essere sostenuta al proprio bordo esterno, come già accennato, per mezzo di una sospensione flessibile che le permetta di muoversi, per quanto possibile, come uno stantuffo. Tale sospensione è costituita da un anello di pelle, gomma o simile; oppure ottenuta con una o più corrugazioni della membrana stessa, il cui materiale in quel punto viene trattato diversamente dal resto, in modo da aumentare la flessibilità.

Il complesso membrana-sospensione-centratore, deve presentare la massima cedevolezza allo spostamento nel senso assiale, affinché le condizioni di lavoro si avvicinino a quelle teoriche innanzi considerate. Nella progettazione occorre tenere presente la massa e l'elasticità di tale complesso, onde poter prevedere le caratteristiche dell'altoparlante.

La bobina è costituita da poche spire di filo conduttore, e presenta quindi una resistenza piuttosto bassa (15 ÷ 20 ohm al massimo) rispetto al circuito che le fornisce l'energia a frequenza acustica, che quasi sempre è un amplificatore a valvole termoioniche. L'altoparlante elettrodinamico è quindi munito di adatto trasformatore di accoppiamento.

Il magnete di campo può essere permanente, oppure eccitato con corrente elettrica continua; nei radioricevitori, di solito, per avvolgimento eccitatore si usa la bobina di filtro della corrente elettrica raddrizzata, che serve per l'alimentazione anodica delle valvole termoioniche. La potenza elettrica necessaria per mantenere il campo magnetico va da un minimo di 2 a un massimo di 10 Watt.

La potenza elettrica a frequenza acustica che un altoparlante elettrodinamico può sopportare, oscilla da 0,50 Watt nei tipi con membrana d; piccolo diametro (80 ÷ 100 mm), sino a 10 ÷ 12 Watt in quelli più grandi (300 ÷ 350 mm).

L'altoparlante magnetico è sostanzialmente una derivazione del ricevitore telefonico. In esso un nucleo magnetico permanente, sul quale si trova una bobina percorsa dalla corrente elettrica a frequenza acustica, è posto dinnanzi ad un'ancoretta vnrante di ferro, collegata a sua volta alla membrana. Nei tipi più semplici la membrana stessa è di ferro, e vibra direttamente sotto l'azione delle variazioni del flusso magnetico.

Un tipo più perfezionato si ha nell'altoparlante bilanciato (v. fig. 7). In esso la bobina, sempre fissa, contiene una linguetta vibrante, imperniata di solito in corrispondenza del centro della bobina stessa, ed immersa nel campo magnetico creato da un magnete esterno. Una delle estremità della linguetta è collegata alla membrana direttamente, o per mezzo di un sistema di leve.

L'altoparlante magnetico risponde in una gamma di frequenza limitata; per il suo rendimento elevato esso viene però ancora usato in qualche applicazione speciale, particolarmente in piccoli radioricevitori, dove la potenza elettroacustica a disposizione è scarsa. Esso può essere collegato alla valvola termoionica finale di potenza anche senza trasformatore, poiché la bobina può essere costruita di elevata impedenza.

L'altoparlante a condensatore è raramente usato. Esso è costituito da una sottile lamina metallica, tesa e posta a brevissima distanza tra due piastre pure metalliche, ad essa parallele, perforate per il passaggio del suono. La membrana viene fatta vibrare sotto l'azione di forze elettrostatiche alternate applicate alle piastre, mentre la membrana stessa è polarizzata da un potenziale base continuo.

L'altoparlante piezoelettrico è costituito da un pacco di lamine piezoelettriche, ottenute da cristalli di sale di Seignette e composto in modo da flettersi o da torcersi sotto l'azione delle tensioni elettriche, secondo il piano del taglio rispetto agli assi piezoelettrici (v. piezoelettricità, XXVII, p. 259 e grammofono, in questa App.). L'elemento piezoelettrico così costituito viene meccanicamente collegato alla membrana nel punto in cui si verifica il massimo spostamento (flessione o torsione); il collegamento può essere diretto, o per mezzo di leve moltiplicatrici o riduttrici. L'altra estremità del pacco piezoelettrico è bloccata e impedita di muoversi.

L'impedenza elettrica di questo tipo di altoparlante è molto alta, e richiede di solito l'impiego di un trasformatore elevatore. La risposta è buona specialmente alle frequenze alte.