L’altoparlante è l’oggetto che si occupa della trasduzione dell’energia elettrica in pressione acustica. Al giorno d’oggi il modello più usato è quello magnetodinamico. Esso sfrutta lo stesso principio di funzionamento usato nella realizzazione di un microfono a bobina mobile: in un magnete permanente con un foro al centro, generante un campo magnetico, viene inserito un cilindro di metallo; nello spazio che rimane (traferro) viene inserita una bobina di materiale conduttore, fissato alla struttura tramite sospensioni elastiche in grado di centrarla e di smorzarne le oscillazioni; la bobina è collegata ad un circuito nel quale passa il segnale elettrico rappresentante un’onda sonora; al movimento degli elettroni che scorrono nella spirale si oppone il campo magnetico; quindi, poiché gli elettroni sono impossibilitati a muoversi, sarà la bobina stessa a spostarsi, simulando il flusso di elettroni al suo interno; poiché alla bobina sarà collegata una membrana metallica elastica (anche se in figura è rappresentato un cono di cartone, spesso usato per la riproduzione delle frequenze più basse), essa vibrerà in accordo col flusso del segnale elettrico, spostando l’aria con la quale è in contatto. Un segnale sinusoidale applicato all’apparato verrebbe riprodotto nel seguente modo: la semionda positiva genererebbe uno spostamento verso l’esterno del
diaframma, e quindi una compressione dell’aria presente davanti; la semionda negativa corrisponderebbe con un movimento verso l’interno della struttura da parte della membrana, e quindi una conseguente rarefazione.

Frequenza di risonanza

Ogni sistema elastico, se stimolato, vibra ad una proprio frequenza, detta frequenza di risonanza. Al valore della suddetta frequenza si avrà l’ampiezza massima di oscillazione; spostandosi verso frequenze più alte o più basse, dapprima l’ampiezza diminuirà vorticosamente in un range stretto, poi assumerà un andamento quasi lineare, in maniera simile ad un andamento asintotico. Quindi in generale si cercherà di lavorare nella zona con la risposta in frequenza quanto più lineare possibile, anche se questo causerà una perdita di efficienza notevole: infatti, nel range che ha come centro la frequenza di risonanza, l’ampiezza dell’oscillazione sarebbe molto maggiore rispetto a quella misurabile per frequenze lontane da esso. Quindi in molti casi si tende a porre la risonanza al di sotto dello spettro udibile.

Efficienza

L’efficienza di un altoparlante corrisponde con la sua capacità di convertire un segnale elettrico in pressione acustica. L’energia elettrica che non viene convertita in pressione viene dissipata sotto forma di calore; questo potrebbe danneggiare alcune parti della struttura: per questo si usa tenere sotto vuoto la bobina, di modo che l’aria non possa contribuire all’aumento di temperatura. Solitamente l’efficienza non supera l’otto per cento, ma ci sono degli accorgimenti che possono incrementarla. In prima accezione possiamo dire che più sono grandi la dimensione e la massa della membrana più l’apparato sarà efficiente verso le basse frequenze e viceversa per le alte frequenze. Con l’aumentare delle suddette grandezze, diminuisce anche la frequenza di risonanza della struttura elastica: spesso, infatti, questo principio è sfruttato per la costruzione di sub-woofer.

Sensibilità

Equivale al valore in dBspl misurato ad un metro di distanza con un segnale elettrico di un Watt di potenza.

Massima potenza applicabile

Vengono convenzionalmente forniti due dati riguardati la potenza applicabile ad un diffusore:
Valore massimo, oltre il quale si incorre in possibili danneggiamenti
Valore efficace, RMS, è la potenza applicabile per un certo tempo prima che il calore cominci a danneggiare l’apparato.

Impedenza

I diffusori hanno un’impedenza variabile con la frequenza, data dalla somma dell’impedenza dei singoli altoparlanti. Valori tipici sono 4, 8 o 16 Ohm. Solitamente viene fornito il dato di impedenza nominale, ovvero un valore misurato a 1 kHz.

Risposta in frequenza

Consiste in un grafico dove sull’asse y troviamo i valori di dB e sull’asse x la frequenza. Viene riportato il valore di sensibilità in funzione della frequenza e a vari angoli. Più l’angolo d’incidenza aumenta, minore sarà la pressione misurata.

Diagramma polare

Viene rappresentato da un grafico analogo a quello usato per i microfoni; qui vediamo che verso le alte frequenze si acquista direzionalità, e i bordi lungo i quali la risposta ha una pressione costante diventano molto frastagliati.

Altoparlanti a sospensione pneumatica

Per le basse frequenze il rendimento diviene molto basso, a causa dello smorzamento causato dal sistema di sospensioni, che impedisce il crearsi di componenti sonore non presenti nel segnale originario.
Per ottimizzare l’efficienza sulle frequenze basse, è stato progettato un sistema di altoparlanti, chiamato a sospensione pneumatica. Qui viene sfruttato il fenomeno secondo il quale la membrana dell’altoparlante creerà rarefazione e compressione nella zone antistante, e viceversa nella zona retrostante. Così, eliminando le caratteristiche di smorzamento delle sospensioni, sarà la stessa massa d’aria posta dietro la membrana che fungerà da smorzatore per le oscillazioni di risonanza dell’apparato.

Altoparlanti a tromba acustica

Per le alte frequenze si usa costruire membrane metalliche molto piccole, tali da soddisfare le relative esigenze. Questo però causa una dispersione della pressione acustica generata, perché la piccola membrana sarà a contatto con una superficie d’aria relativamente grande. Quindi si usa inserire la membrana in una struttura conica, che rende progressivo l’aumentare della superficie. La membrana si troverà a contatto con una superficie d’aria leggermente, e quest’ultima con un’altra superficie ancora più grande e così via.

Sfruttamento dell’onda generata dal retro della membrana

Le membrane di una cassa non generano solo un’onda frontale, ma anche una retrostante. Quest’ultima viene isolata dalla prima (tramite il contenitore dell’altoparlante) perché potrebbe influire distruttivamente sul suono generato. Questo fenomeno può, però, essere sfruttato al fine di migliorare l’efficienza.

Bass reflex

Gli stessi fenomeni di rarefazione e compressione generati davanti alla membrana avvengono anche dietro, però, ovviamente, con fase opposta. Se si crea un’apertura sul fronte della cassa, si progetta il contenitore in modo che risuoni frequenze vicine a quelle che l’altoparlante deve riprodurre e si fa in modo che l’onda retrostante la membrana compia un percorso tale da ritrovarsi, all’uscita, invertita di fase, si ottiene un notevole aumento dell’efficienza. Questo sistema viene usato per rinforzare la pressione frontale della cassa.

Cono passivo

Questa volta il rinforzo è generato da un cono che non è collegato né una bobina, né ad un magnete. Esso si muoverà grazie alla pressione generata dal cono principale verso l’interno, che, dopo aver compiuto un percorso all’interno della cassa, applicherà una pressione sul cono passivo.

Tromba retroattiva

Questo meccanismo è simile al bass reflex. Esso però ha la particolarità di avere al suo interno un percorso preciso, in cui incanalare la pressione.

Sistemi di diffusione a più vie

Al giorno d’oggi si preferisce usare sistemi di diffusione sonora a più vie, ovvero sistemi con diversi altoparlanti, ognuno progettato con caratteristiche diverse atte ad ottimizzarne la risposta in frequenza in una determinata banda. Infatti, come precedente sottolineato, variando i valori di dimensione, forma e massa della membrana possiamo ottenere altoparlanti più adatti a riprodurre diverse bande di frequenze. Essendo le caratteristiche richieste incompatibili tra di loro, un solo altoparlante non potrebbe avere una risposta fedele. Così, nel caso delle alte frequenze si usa spesso l’altoparlante a tromba acustica, mentre nel caso delle frequenze basse si usano coni molto grandi di cartone fibroso o di resina sintetica. Solitamente i sistemi a più vie, ne comprendono tre. La banda di frequenze da mandare ad ogni parte di essi viene decisa tramite l’utilizzo del crossover.