RELAZIONE DI T.D.P.

SUONO, MICROFONI & ALTOPARLANTI

IL SUONO

NOZIONE

Il suono è un fenomeno fisico di carattere ondulatorio che stimola l'udito. Le vibrazioni sonore percepibili all'uomo si collocano a frequenze comprese tra i 15 ed i 20000 Hz e raggiungono la parte interna dell'orecchio attraverso l'aria. Il suono può anche proarsi in altri mezzi oltre all'aria, come solidi, liquidi ecc . i quali non permettono però che questo suono venga percepito dall'orecchio umano; questi suoni, con frequenze superiori ai 20000 Hz vengono detti ultrasuoni.

In base al diverso meccanismo di proazione le onde si distinguono in:

onde trasversali;

onde longitudinali.

In entrambi i casi le particelle materiali compiono oscillazioni e vibrazioni intorno alla posizione di equilibrio ed è solo l'energia a proarsi dentro il mezzo.

Un esempio di onda trasversale si ha quando l'estremo libero di una corda fissata a un capo viene scosso, generando un impulso oscillatorio; mentre l'onda si proa verso il punto fisso, nessuna parte della corda si muove in orizzontale ma, al contrario, le oscillazioni avvengono in direzione perpendicolare alla direzione di proazione.

Le onde sonore sono invece longitudinali; le molecole del mezzo in cui si proa il suono, si muovono parallelamente alla direzione di proazione dell'onda. Un'onda sonora che viaggia nell'aria non è altro che una successione di refrazioni e compressioni di piccole porzioni d'aria; ogni singola molecola trasferisce energia alle molecole adiacenti e dopo il passaggio dell'onda, ritorna pressappoco nella sua posizione iniziale.

CARATTERISTICHE FISICHE

Qualsiasi suono semplice, ad esempio una nota musicale, è descritto da ALTEZZA, INTENSITA' e TIMBRO;queste caratteristiche di percezione corrispondono a grandezze fisiche proprie dell'onda, quali FREQUENZA, AMPIEZZA e RAGGIO DI AZIONE. Il rumore è invece un suono complesso, dato dalla sovrapposizione casuale di frequenze diverse e non può essere descritto perciò dai parametri sopraelencati.

FREQUENZA

Ci possiamo domandare il perché quando agitiamo qualcosa, anche rapidamente, nessuna delle onde di pressione che abbiamo creato ci dia l'impressione del suono. Il fatto è che il nostro orecchio non percepisce variazioni di pressione più lente di circa 16 cicli al secondo. Altrettanto accade quando le onde di pressione hanno frequenze troppo elevate come, ad esempio, il fischio ottenuto facendo girare una piccola elica, il quale ci risulta tanto più acuto quanto più velocemente gira l'elica. Però, appena la velocità di rotazione supera un certo valore, le nostre orecchie non odono più alcun suono, ma non perché non ci sono più onde di pressione nell'aria, ma solo perché le nostre orecchie non sono più in grado di seguire le frequenze troppo elevate.

I suoni possono dunque avere diverse frequenze, ma noi,come gia detto in precedenza, possiamo  solo udire in un certo intervallo di esse; ogni suono è caratterizzato da una frequenza, ma è raro udire dei suoni puri. Anche il migliore dei suoni è un miscuglio di suoni di diverse frequenze, con diverse intensità.

AMPIEZZA

L'ampiezza di un onda sonora rappresenta il massimo spostamento , rispetto alla posizione di equilibrio, delle molecole che costituiscono il mezzo di proazione; all'aumentare dell'ampiezza dell'onda, aumenta la forza con la quale viene colpito il timpano dell'orecchio e quindi l'intensità con cui il suono è percepito. Oltre che come proazione massima delle molecole d'aria, è possibile misurare l'ampiezza di un suono in termini della differenza massima di pressione tra refrazione e compressione, oppure in termini di energia , essendo quest'ultima proporzionale all'ampiezza dell'onda.

INTENSITA'

La distanza a cui un suono può essere percepito dipende dalla sua intensità, definito come il flusso medio di energia che, nell'unità di tempo, attraversa una superficie di aria unitaria situata perpendicolarmente alla direzione di proazione. Nel caso di onde sferiche generate da una sorgente puntiforme, l'intensità varia in modo inversamente proporzionale alla distanza, purché siano trascurabili degli effetti esterni, quali la viscosità, le variazioni di temperatura, pressione, ecc . fattori che non possono essere trascurati nel caso di proazione di onde sonore nell'atmosfera.

VELOCITA' DEL SUONO

La frequenza di un'onda sonora corrisponde alla misura del numero di onde che passano per un determinato punto dello spazio in un secondo, mentre la lunghezza d'onda (λ) è la distanza tra due punti di ampiezza massima dell'onda, ad un tempo fissato. La velocità di proazione di un'onda è data dal prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza (f): dipende dal mezzo di proazione e, in uno stesso mezzo ed alla stessa temperatura è uguale per tutte le frequenze.

La velocità del suono nell'aria, alla temperatura di 0°C, è di 331.6 m/s, ma varia al variare della temperatura; cambiamenti di pressione, a densità costante, non influenzano la velocità; di solito nei gas , la velocità dipende dalla densità; ciò è comprensibile, perché molecole più pesanti si muovono più lentamente di altre più leggere e con esse è più lenta anche la proazione del suono la quale, nei gas, dipende anche dal calore specifico.

Il suono si proa più rapidamente in liquidi e solidi. La velocità del suono in acqua è uguale a 1525 m/s, mentre nell'acciaio (materiale molto elastico) si proa ad una velocità di circa    4877 m/s.

RIFRAZIONE, RIFLESSIONE, INTERFERENZA

Nei mezzi con una densità uniforme, il suono si proa in linea retta. Ai poli, dove l'aria nei pressi del suolo è più fredda e più densa, un'onda sonora generata a terra, salendo verso la zona di aria più calda, dove il suono si muove a velocità maggiore, subisce una deviazione verso il basso per effetto della rifrazione.

La riflessione di un suono corrisponde invece al fenomeno dell'ECO, sfruttato in strumenti come il megafono ed il sonar.

Nella proazione di onde sonore si manifesta anche il fenomeno di interferenza. Supponiamo ad esempio che un suono venga separato in due distinte onde che, dopo aver percorso cammini diversi, raggiungono contemporaneamente l'orecchio di un ascoltatore; in questo caso egli avvertirà un suono più o meno intenso di quello originale, a seconda che le due onde giungano in fase o fuori fase. L'interferenza si può realizzare anche fra onde di diversa frequenza, con effetti di sovrapposizione e distorsione più complicati (vedi ad esempio il rumore).

SUONI STAZIONARI

Vengono definiti suoni stazionari quei suoni il cui raggio d'azione non varia con il tempo. I più semplici suoni stazionari sono quelli che corrispondono ad una vibrazione periodica, cioè che dopo un intervallo T detto periodo, si riproducano le condizioni iniziali di spostamento, velocità, accelerazione della particella che vibra. Analizzati all'oscilloscopio i suoni stazionari presentano una forma d'onda sinusoidale.

SUONI IMPULSIVI

Non esiste ancora una definizione ben precisa di suono impulsivo, ma sappiamo che il suo carattere essenziale è la durata limitata, che va di solito da 1 a 500 ms. Un altro parametro fondamentale è la rapidità con cui crescono la pressione sonora e il suo valore massimo. Ogni fenomeno impulsivo non è periodico; in poche parole le sue oscillazioni sono rapidamente smorzate.

L'orecchio non percepisce allo stesso modo suoni impulsivi e suoni stazionari anche perché, ad esempio, la percezione dell'altezza è connessa alla durata della stimolazione.

CENNI SU AMPLIFICATORI PER BASSE FREQUENZE

Gli amplificatori, insieme a microfoni ed altoparlanti, sono molto utilizzati in applicazioni relative a segnali acustici.

Le caratteristiche comuni a questa categoria di amplificatori sono: all'ingresso è presente un debole segnale proveniente da un microfono, con frequenza variabile che va da alcuni Hz, ad alcune decine di KHz; il segnale di uscita deve essere in grado di pilotare con potenze che vanno da pochi Watt ad alcune centinaia di Watt, degli altoparlanti; ne segue che la catena di amplificazione deve fornire potenza al segnale d'ingresso, rispettando le variazioni di ampiezza e di fase (variando cosi in modo lineare).

IL MICROFONO

Un microfono è un trasduttore elettroacustico, cioè un dispositivo in grado di trasformare le vibrazioni sonore contenenti un'informazione acustica. Il microfono è uno dei migliori trasduttori elettroacustici, il quale trasforma le variazioni di pressione che le oscillazioni delle onde sonore producono nel mezzo di proazione (di solito si tratta di aria), in segnale elettrico (una tensione o una corrente).

Un trasduttore è un dispositivo che fornisce in uscita una grandezza elettrica in funzione della grandezza fisica da rilevare (nel nostro caso un suono). Essi possono essere classificati in base alla grandezza fisica che sono in grado di rilevare, alla grandezza elettrica che forniscono in uscita, oppure il principio fisico su cui si basa il loro funzionamento. All'acquisto di un trasduttore il costruttore indica le seguenti caratteristiche ed i seguenti parametri:

funzione di trasferimento;

linearità;

sensibilità;

errore di misura;

caratteristiche dinamiche;

segnale di uscita.

Tornando al "nostro" microfono, le principali caratteristiche che ne determinano la qualità sono:

SENSIBILITA' (come nel trasduttore), che rappresenta il rapporto tra la tensione del

segnale in uscita e la pressione dell'onda sonora;

RISPOSTA IN FREQUENZA, cioè la variazione della sensibilità a seconda della frequenza

del suono;

DIREZIONALITA', cioè la possibilità di raccogliere suoni da più direzioni;

IMMUNITA' A DISTURBI ESTERNI, quali colpi e vibrazioni.

Il "nostro" apparecchio, come già detto trasforma un'oscillazione acustica di un'onda sonora in corrispondenti oscillazioni elettriche; ma come avviene questa trasformazione?

In quasi tutti i tipi di microfono infatti, uno speciale organo mobile (ad esempio una membrana, un nastro, ecc . ) è messo in oscillazione dall'onda acustica incidente; l'oscillazione di questo organo mobile, che è di tipo meccanico, viene poi trasformata in un'oscillazione elettrica.

Studiando le caratteristiche d'oscillazione acustica in un mezzo come l'aria, si vede che esse consistono di due componenti fondamentali: pressione e velocità del mezzo (nel nostro caso aria). Un microfono ideale dovrebbe perciò rispettare queste due componenti; ma non essendo possibile costruire un microfono ideale, ma soprattutto che rispetti alla perfezione la componente di velocità, i microfoni vengono considerati come trasformatori della componente di pressione sonora ricevuta nell'oscillazione elettrica.

I microfoni si dividono in due grandi famiglie:

a pressione, dove la pressione che agisce sull'organo è proporzionale alla pressione sonora;

questo si ottiene facendo si che l'onda sonora incida soltanto su una delle facce dell'organo

mobile;

a gradiente di pressione, dove la forza che agisce sull'organo mobile è proporzionale al

gradiente di pressione; l'onda sonora viene fatta incidere su ambedue le facce dell'organo

mobile, il quale pertanto si muove per effetto della differenza di pressione tra le stesse due

facce risultanti.

ALCUNI TIPI DI MICROFONO

MICROFONO A CARBONE

Il più semplice microfono moderno è quello a carbone, impiegato principalmente negli apparecchi telefonici. E' formato da una capsula metallica riempita di granuli di carbone, attraversata da corrente elettrica. Le onde sonore provocano le vibrazioni di una membrana posta all'estremità aperta della capsula, a contatto con i granuli, dai quali dipende la resistenza elettrica di questi ultimi e quindi l'intensità della corrente circolante nel circuito. Ne deriva una corrente variabile che può essere amplificata e trasmessa ad un ricevitore distante, oppure usata per modulare un trasmettitore.

E' molto usato anche per la sua robustezza, il suo basso costo e la sua elevata sensibilità (quest'ultimo parametro molto importante dei microfoni).

Il microfono a carbone è quello più comunemente utilizzato nei telefoni (vedi ura 1), del tipo a variazione di resistenza, formato da una capsula, chiusa da una membrana metallica (che vibra quando è colpita dalle onde sonore) poggiante sopra uno strato di granelli di carbone. Attraverso una capsula passa una debole corrente che modificata dalle vibrazioni sonore e opportunamente amplificata, arriva all'apparecchio ricevente, dove un piccolo altoparlante trasforma impulsi elettrici in suoni (la voce che comunemente sentiamo al telefono).

Questo tipo di microfono è molto utilizzato nei telefoni perché, pur avendo un notevole rumore di fondo, possiede, come già affermato, un'elevata sensibilità, trasmettendo perciò anche suoni molto deboli.

In ura 2 possiamo vedere il funzionamento di un microfono a carbone.   . 1

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MICROFONO PIEZOELETTRICO

Sono trasduttori che utilizzano l'effetto piezoelettrico presente in alcuni cristalli (vedi ura 3). Prende questo nome quel fenomeno secondo il quale è possibile ottenere un segnale elettrico mediante una pressione. Esistono alcuni tipi di cristallo (quarzo, fosfato di ammonio, ecc . ) e materiali ceramici che godono della proprietà di manifestare cariche opposte su due facce parallele, alle quali venga applicata una certa pressione. Rivestendo le facce con elettrodi metallici, è possibile prelevare tra questi due la differenza di potenziale che si origina a causa della pressione.

Quando un cristallo piezoelettrico viene sollecitato da variazioni di pressione dovute ad un'onda sonora, la tensione che si origina ai capi delle sue armature risulta proporzionale all'andamento dell'onda acustica stessa.

Questo tipo di microfono, detto anche a cristallo, trova largo impiego nella telefonia ed in sistemi radiofonici. 

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MICROFONO A CONDENSATORE   

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Il microfono a condensatore è così chiamato perché contiene un condensatore di capacità variabile formato da due armature, una mobile e una fissa. L'armatura fissa è costituita da una griglia metallica, incastrata su un dischetto dielettrico forato tramite un polo centrale, mentre quella mobile è la membrana del microfono, che nei modelli più vecchi era un foglio di titanio, mentre nei più recenti è fatta di materiale plastico. La griglia esterna ha semplicemente la funzione di proteggere meccanicamente la costosa e delicata capsula del microfono e di ridurre i disturbi provocati dal vento.

Nei microfoni tradizionali, è necessario mantenere carico il condensatore con una tensione costante tra il polo centrale lo chassis esterno (A e B in . 4). Tale tensione, che vale tipicamente 200 V corrente continua, viene detta tensione di polarizzazione; è importante che questa tensione sia molto stabile e pulita in modo da evitare di introdurre disturbi nella misurazione.

Esistono anche microfoni detti 'prepolarizzati', ove il dischetto dielettrico che sostiene l'armatura fissa è costituito da cristalli anisotropi, che contengono cariche elettriche imprigionate nel loro interno e sono in grado di mantenere una tensione fra i due poli di 200 V.

Quando il campo sonoro sollecita la membrana, varia la capacità del condensatore e di conseguenza la tensione tra A e B. Si osserva che è necessario un opportuno condensatore di disaccoppiamento fra i due poli per fare in modo che il microfono risponda alla sola componente alternata del segnale. Il segnale così ottenuto necessita però di essere amplificato. Il microfono, infatti, è in grado di generare una tensione ma non di erogare corrente.

Per amplificare il segnale si usa un transistor di tipo FET, che funziona come convertitore di impedenza (impedance converter), cioè applica una impedenza infinita fra i due poli del microfono ed è in grado di erogare corrente in uscita su un'impedenza di valore finito.

MICROFONO ELETTRODINAMICO

A BOBINA MOBILE

E' un microfono a pressione, costituito da una membrana, abitualmente a forma di calotta sferica in modo da aumentarne la rigidità (vedi ura 5). A questa membrana è unita una bobina che è mobile dentro un campo magnetico costante. Quando la membrana è sottoposta ad un'oscillazione dall'onda sonora incidente la bobina, che si muove dentro il campo magnetico, viene a formarsi una forza elettro motrice, fornendo una tensione che è funzione della velocità di spostamento della bobina stessa. Questa tensione riproduce allora l'onda sonora incidente.

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A NASTRO

Esistono due tipi di microfono a nastro:

a pressione;

a gradiente di pressione.

In tutti e due l'organo mobile è costituito da un sottile nastro d'alluminio ondulato, della larghezza di circa 2-3 mm e della lunghezza di qualche centimetro. Per effetto dello spostamento del nastro, dovuto all'onda sonora incidente, nasce una forza elettro motrice, quindi una tensione, la quale traduce elettricamente il segnale acustico ricevuto. Però, visto che la tensione generata è molto piccola, si fa uso di un trasformatore che ne aumenti il valore, che di solito è inserito nello stesso supporto del microfono.

Questi due tipi di microfono sono caratterizzati da una risposta in frequenza piuttosto uniforme fino ad alti valori; i primi hanno caratteristiche di sensibilità e di resistenza, mentre i secondi hanno caratteristiche di fedeltà nella riproduzione del timbro. Inoltre ci sono dei microfoni che, progettati per accogliere il suono da una sola direzione combinano nastro e bobina.

L'ALTOPARLANTE

Prima di cominciare a parlare di un altoparlante dobbiamo fare una piccola parentesi sugli attuatori.

Cos'è un attuatore? Si definiscono attuatori tutti quegli elementi che terminano una catena di amplificazione.

La funzione principale di questi dispositivi è la trasformazione del segnale elettrico che ricevono all'ingresso in una grandezza fisica (in poche parole svolgono la funzione opposta dei trasduttori).

Il numero di dispositivi che rientrano in questa definizione è notevole, ma noi tratteremo solo attuatori a comando analogico (i "nostri" altoparlanti). Vengono considerati attuatori a comando analogico tutti quelli che variano con continuità il proprio comportamento fisico, in funzione del segnale elettrico applicatogli in ingresso.

Ma ora torniamo al nostro dispositivo.

Un altoparlante, nei sistemi di amplificazione audio, trasforma il segnale amplificato in variazioni di pressione su una massa d'aria; trasformano un segnale elettrico, ricevuto da apparecchi radio, grammofoni, registratori, ecc . in un'onda acustica.

Un altoparlante è costituito essenzialmente da due elementi (vedi ura 6): il trasduttore elettroacustico e la membrana:il primo ha il compito di trasformare l'energia elettrica in vibrazioni; da solo però non potrebbe produrre un suono udibile perché non riuscirebbe a trasmettere le sue vibrazioni all'aria nell'ambiente. Ed è a questo punto che "interviene" la membrana, ampia e leggerissima superficie, spesso di carta, attaccata al trasduttore e quindi "costretta" a vibrare generando il suono.

La caratteristica principale di un altoparlante è la fedeltà di riproduzione, cioè la capacità di riprodurre le onde sonore esattamente uguali a quelle originarie (a livello pratico risulta impossibile a causa di disturbi e problemi vari che possono verificarsi durante la trasformazione di onde elettriche in onde sonore).

La fedeltà di riproduzione di un altoparlante è in stretto rapporto con le sue dimensioni; per esempio, per riprodurre suoni molto bassi avremo bisogno di spostare molta lentamente tanta aria, perciò l'altoparlante dovrà essere di grandi dimensioni ed elevata potenza. Per avere suoni acuti invece, occorre far vibrare poca aria a frequenza elevata, quindi occorrerà un altoparlante di scarsa potenza e dimensioni ridotte.

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I primi altoparlanti erano dotati di un'elettrocalamita che, a seconda dell'intensità del segnale elettrico, attirava più o meno una membrana di ferro, originando delle onde sonore. Questo tipo di altoparlante, chiamato elettromagnetico venne sostituito in seguito dall'elettrodinamico o a bobina mobile, che risulta il più diffuso ancora oggi. Il funzionamento è analogo a quello del microfono elettrodinamico citato in precedenza; in questo caso il segnale elettrico contenente l'informazione viene inviato alla bobina mobile situata nel tra ferro di un magnete permanente; l'interazione tra campo magnetico e bobina provoca il movimento di quest'ultima. La bobina, collegata ad un cono di carta (la membrana), trasforma il suo movimento in vibrazioni di una colonna d'aria; l'entità del suono che si diffonde si può dire che è proporzionale alle dimensioni del cono ed alla potenza elettrica inviata alla bobina; visto che la bobina deve fornire potenza, ha un'impedenza molto bassa (dai 4 ai 16 Ω).