La fisica dei diffusori acustici

Quali sono le leggi fisiche che regolamentano la costruzione dei diffusori acustici e quali calcoli si effettuano per determinare le dimensioni di una cassa che dia all'altoparlante il massimo delle prestazioni in termini di risposta in frequenza e di pressione sonora?
Christian Bazzo
23 febbraio 2004
Il primo ben noto accorgimento per ottenere una buona risposta in frequenza è quello di avere più diffusori (due o tre a volte anche fino a cinque) ognuno dedicato a una diversa banda di frequenza. Questi diffusori possono essere poi montati sulla stessa cassa. Il diaframma mobile di tali diffusori, che ne costituisce la parte più viva, può avere forma varia. Solitamente la forma conica è utilizzata per la riproduzione delle frequenze basse (woofer) e quella a cupola per le frequenze medie e acute (mid-range e tweeter).

Detto questo, da uno studio delle proprietà meccaniche del diffusore si ricava che, il range di frequenze riproducibili da un altoparlante ha dei limiti ben precisi legati al comportamento fisico del diaframma del diffusore stesso. Tali limiti sono: la frequenza fondamentale di risonanza meccanica del diaframma, che è un limite al suono grave e poi per ciò che concerne i suoni acuti, vi è un limite superiore in corrispondenza della frequenza più bassa fra due frequenze caratteristiche; queste ultime sono:

a) la frequenza per la quale la lunghezza d'onda del suono irradiato è pari al diametro del cono;
b) la frequenza del primo modo di risonanza simmetrico.

Quindi, in prima approssimazione, l'ambito in cui la risposta in frequenza di un diffusore è piatta, è determinata dalla forma e dimensione del diaframma secondo le regole sopra descritte.

Oltre che dalle dimensioni della cassa, un ruolo importante è giocato dalla cedevolezza degli elementi solidi, come la giunzione elastica a cui è fissato il diaframma nonché la cedevolezza dell'aria all'interno del contenitore ovvero la forma e le dimensioni del contenitore stesso. Per esempio, se un altoparlante deve essere impiegato per le basse frequenze, bisogna che la frequenza di risonanza meccanica sia più bassa della frequenza acustica più bassa che si vuole riprodurre. Un risultato del genere può essere perseguito in due modi: aumentando la massa mobile del diffusore oppure aumentando la cedevolezza delle sospensioni a cui è fissato il diffusore.

Ovviamente anche i materiali di costruzione sia dei diaframmi che delle giunzioni e poi delle casse giocano un ruolo importante. Raccogliendo tutti questi dati potremmo quindi dire che, pur essendoci delle linee direttive precise, il numero di gradi di libertà nella costruzione di un altoparlante è sufficientemente alto per rendere impossibile l'individuazione di un modello unico e ottimale.

Per quanto riguarda la pressione sonora intesa come potenza acustica irradiata, essa viene di solito valutata in termini di rendimento elettroacustico di un altoparlante:

h = Wr/We

dove Wr è la potenza acustica irradiata e We è la potenza elettrica di eccitazione.

In questo caso si tratta quindi di ottimizzare la resa meccanica a parità di potenza elettrica erogata. Anche in questo caso gli accorgimenti sono molti, legati per esempio alla risposta in frequenza che si vuole ottenere, che può indurre a soluzioni costruttive diverse. Tanto per fare un esempio, la tendenza a impiegare coni pesanti per ottenere una frequenza di risonanza bassa, porta alla realizzazione di sistemi aventi rendimento elettroacustico molto basso, a fronte di un buona risposta in frequenza. Spesso si tratta quindi di scelte di compromesso sulle quali giocano molti fattori, non ultimi i costi dei materiali e del tipo di lavorazione.

Per concludere, in modo forse un po' semplicistico ma realistico, non esiste un set di funzioni che diano in modo univoco le misure per ottenere il massimo delle prestazioni in termini di risposta in frequenza e di pressione sonora. È piuttosto un insieme di nozioni fisiche matematiche, accanto a regole ricavate dall'esperienza, che definiscono quello che, almeno in parte, resta un lavoro di liuteria.

Pietro Polotti Conservatorio G. Tartini, Trieste

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