Altoparlante

Altoparlante dinamico (modello equivalente)

Altoparlante dinamico pilotato in corrente

Altoparlante dinamico pilotato in tensione

(di Mario Bon – 14 dicembre 2015)

Altoparlante:

la figura che segue mostra le varie parti che compongono l’altoparlante dinamico. Per altri dettagli vedere le voci Impedenza, Sensibilità, Carico, Break-up, Diffrazione ai bordi, Filtro Cross-over, ecc.

Woofer	Altoparlante specializzato per le note basse
Midrange	Altoparlante specializzato per le note media
Tweeter	Altoparlante specializzato per le note alte

Altoparlante dinamico (modello equivalente).

L’altoparlante dinamico è un dispositivo sensibile alla corrente ed esegue due trasformazioni: da elettrico a meccanico e da meccanico ad acustico. Il carico dell’aria insiste sulle due facce del diaframma e va conteggiato due volte (2Zma). Gli schemi che seguono riproducono i circuiti equivalenti: nel primo sono in evidenza le due trasformazioni (con due trasformatori) mentre il secondo ed il terzo (con i trasformatori risolti) sono rispettivamente il modello meccanico ed il modello elettrico. I tre modelli sono isomorfi. Per ottenere la pressione acustica si deve moltiplicare la velocità per la resistenza di radiazione.

Lo schema rappresenta un altoparlante in aria libera o su schermo infinito (dipende dal valore attribuito a Zma). Quando l’altoparlante è caricato da un cabinet l’impedenza di radiazione sulle due facce della membrana è diversa (la cosa si risolve con il metodo Quebek in due passaggi).

Zma = Sd²Za dove Za è l’impedenza di radiazione.

Calcolo della velocità del diaframma di un altoparlante dinamico (in aria o in cassa chiusa) dalla uguaglianza Blv=Zes. Modello semplificato dove non compare il carico dell’aria. Z = Ze+Zes è l’impedenza elettrica dell’altoparlante alla risonanza Zes = Res e Le può essere trascurata per cui la velocità massima è:

Per un pistone rigido montato su schermo infinito si possono distinguere tre intervalli di frequenza: al di sotto della frequenza di risonanza la risposta è dominata dalla elasticità e cresce di 12 dB/ott, nella zona intermedia per ka<1 la risposta è piatta (perché la parte reale della impedenza di radiazione è crescente) e la regione per ka>1 la risposta è dominata dalla massa e cade di 12 dB/ott. Per 1 < k < 2 c’è una regione di transizione determinata dall’impedenza di radiazione. La forma conica del diaframma dell’altoparlante dinamico provoca un effetto “tromba” che incrementa il livello della emissione alle alte frequenze (aumenta l’indice di direttività). Questo avviene in particolare con i coni in polipropilene che hanno delle rotture progressive e piuttosto dolci.

Per un woofer reale la forma a cono, le risonanze delle sospensioni e i break-up della membrana modificano sensibilmente la risposta fornita dal modello semplificato. Si notano le irregolarità in gamma media e il diverso andamento della risposta nella regione a controllo di massa. La curva di impedenza (a bassa frequenza) rispecchia l’andamento della velocità dell’apparato mobile: il picco poco oltre 1kHz indica un picco di velocità (risonanza) causato dalla repentina diminuzione della massa dinamica (risonanza del rim) oltre 6000 hz si vedono i break up della membrana in alluminio.

Risposta in frequenza di un woofer da 5” con membrana molto rigida e pesante (osmio-carbonio). Si nota l’assenza di rotture fino ad oltre 2kHz (dove ka = 2) oltre tale limite (zona di controllo di massa) la risposta dovrebbe scendere di 12 dB/ott ma a 3500 Hz il break up della membrana genera un picco pronunciato. Questo woofer non può essere commercializzato perché l’osmio è velenoso.

Espressione dell’impedenza elettrica per un altoparlante dinamico rappresentato con l modello semplificato di Small ZL rappresenta l’impedenza reattiva della bobina mobile ZL =Rem(w) + jw Lem(w).

Altoparlante Rendimento

Qui di seguito il classico modello elettro-meccanico-acustico di un altoparlante dinamico a cono. Basato sull’isomorfismo tra la l’insieme dotato di struttura degli elementi meccanici e l’insieme degli elementi acustici. Si noti che il rapporto di trasformazione dei due trasformatori è dimensionale. I trasformatori rappresentano il passaggio da un tipo si analogia ad un altro (quindi il loro uso è consentito e corretto).

(Si è tenuto conto che la potenza complessa vale <e|i> = e* i = e* e/z = |e|²/z)

Circuito equivalente di un altoparlante montato su schermo infinito. Irradia potenza acustica sui due lati dello schermo quindi l’impedenza di radiazione è presente sui due lati. Nel caso della cassa chiusa questi due carichi sono diversi.

Eliminando i trasformatore (1:Sd) l’impedenza vista dal primario viene divisa per Sd²

Eliminando i trasformatore (BL:1) l’impedenza vista dal primario viene moltiplicata per BL²

Alla fine si ottiene l’espressione della velocità del diaframma che è uguale alla velocità dell’aria in contatto con il diagramma stesso. Nota: v=velox

La potenza emessa su un solo lato dello schermo è metà della potenza totale irradiata. Nel caso della cassa chiusa questa metà della potenza acustica viene dissipata all’interno della cassa. Ne segue che, tenendo anche conto del teorena del massimo trasferimento di energia, un woofer montato in cassa chiusa che abbia il 100% di rendimento meccanico (quindi ideale), potrà avere un rendimento massimo non superiore al 25%

Altoparlante dinamico pilotato in corrente:

l’altoparlante è pilotato in corrente quando l’impedenza interna del generatore è molto più alta dell’impedenza dell’altoparlante (teoricamente infinita). Come dire fattore di smorzamento molto basso (idealmente nullo). Nel pilotaggio in corrente il picco in corrispondenza della freq. di risonanza è determinato dal fattore di merito meccanico Qms.

	Risposta al variare della resistenza del generatore: 0,5,10,100 ohm Verso le alte frequenze si manifesta l’effetto dell’induttanza della bobina mobile.
Rosso = risposta Nero = Impedenza Verde = tensione ai capi

Se l’impedenza del generatore non è trascurabile produce un aumento di Qes (e quindi di Qt ). Il primo a sfruttare questo effetto è stato Cisek (Cizek 3).

Dato che una componente resistiva è sempre presente (bobina in serie al woofer, cavi) la si deve considerare esplicitamente nelle simulazioni degli allineamenti.

Altoparlante dinamico pilotato in tensione:

l’altoparlante è pilotato in tensione quando l’impedenza interna del generatore è molto più bassa dell’impedenza dell’altoparlante (teoricamente nulla). Come dire fattore di smorzamento molto elevato (maggiore di 20). I normali amplificatori per HiFi presentano una impedenza di uscita bassa e si comportano quindi come dei generatori di tensione quasi ideali. Tuttavia tra l’amplificatore e l’altoparlante è interposto il cavo ed il filtro cross-over che determinano l’impedenza vista dall’altoparlante verso il generatore. I fattore di smorzamento del solo amplificatore è solo una piccola parte del fattore di smorzamento realmente “visto” dall’altoparlante e non dice molto. Negli amplificatori a valvole l’impedenza di uscita è spesso più alta dell’impedenza del cavo.