La misura dell’Impedenza dell’altoparlante e del diffusore acustico

di Mario Bon

21 febbraio 2013 – rividto il 28 ottobre 2015

 

 

 

 

L’altoparlante è un dispositivo elettro-acustico che esegue due trasformazioni:

 

-          da potenza elettrica a potenza meccanica

-          da potenza meccanica a potenza acustica. 

 

Dal punto di vista elettrico l’altoparlante è un bipolo passivo (un elemento con due terminali che non richiede alimentazione esterna). Guardando “dentro” ai morsetti di ingesso dell’altoparlante si vede un circuito elettrico del tipo mostrato qui sotto (in forma semplificata):

 

 

L’impedenza Z dell’altoparlante, come per qualsiasi bipolo, è il rapporto tra la tensione applicata e la corrente che ne deriva e dipende dalla frequenza.

 

Z(jw) = V(jw)/I(jw) 

 

La figura qui sopra mostra l’altoparlante, il suo circuito elettrico equivalente (semplificato) e una tipica curva di impedenza.  Un diffusore acustico multivia, che utilizza più altoparlanti con relativo filtro cross-over, presenta una impedenza ampiamente variabile come illustrato dai due esempi qui sotto.

 

Esempio di diffusore con impedenza “difficile”

Esempio di diffusore con impedenza “facile”

Il modulo dell’impedenza è in nero, l’altra curva è la fase.

 

La norma DIN 45500 fissa, per l’impedenza dei diffusori acustici, 3 valori nominali: 4, 8 e 16 ohm. I diffusori a 16 ohm nominali sono quasi scomparsi.

A cosa serve uno standard per l’ impedenza? Serve come punto di riferimento per chi progetta amplificatori che lavora sapendo su quale carico dovrà erogare corrente. Non è un caso che gli amplificatori con trasformatore di uscita presentino le uscite adattate ai valori standard (tipicamente 4 e 8 ohm) e che gli amplificatori allo stato solido abbiamo le protezioni (quando presenti) regolate per un carico minimo di 2 ohm (per mantenere un margine di sicurezza). La norma DIN ammette, rispetto ai valori nominali, una tolleranza del 20%. Questo significa che un diffusore da 4 ohm nominali potrà avere un minimo nel modulo di impedenza non inferiore a 3.2 Ohm. A ben guardare il valore di 3.2 ohm è il minimo valore del modulo ammesso per qualsiasi tipo di sistema di altoparlanti.

 

L’impedenza del diffusore non è direttamente correlata alla qualità del suono del sistema di altoparlanti ma può diventare un problema per l’amplificatore e quindi per il “suono complessivo” della coppia amplificatore + diffusori. E’ facile capire che, se l’amplificatore non funziona al meglio, nemmeno il diffusore suonerà al meglio. Più l’impedenza del diffusore è bassa (o tormentata) più il risultato finale risulterà sensibile rispetto

 

-          al fattore di smorzamento dell’amplificatore

-          alla effettiva corrente erogata dall’amplificatore

-          (perfino) ai cavi.

 

Con gli amplificatori controreazionato lìimpedenza del carico si riflette all’ingresso  e interine sulla larghezza di banda ad anello aperto dell’amplificatore.

 

La norma DIN prevede un massimo e un minimo di impedenza e, di conseguenza le rotazioni di fase risultno molto contenute. È pratica usuale cercare di mantenere il minimo di impedenza nella norma ma non considerare i valori massimo. A causa di ciò un diffusore può risultare a norma per quanto riguarda i minimi di impedenza ma risultare ancora ostico per l’amplificatore. Questo avviene quando la fase dell’impedenza presenta significative rotazioni (per es. oltre i 30°) o massimi e minimi di impedenza molto ravvicinati (si veda l’esempio di diffusore “difficile”). Le rotazioni di fase costringono i dispositivi di uscita degli amplificatori ad avvicinarsi ai limiti della SOA (Safe Operation Area) e a clippare prematuramente con tutti i problemi che ne derivano.

 

Da questo punto di vista i diffusori di dividono in “facili” e “difficili”. Un diffusore “difficile” esige un amplificatore con un maggior numero di dispositivi di uscita in parallelo (transistor, MOSFET, ecc. sovradimensionato, più costoso). Se il diffusore è ”difficile” come impedenza ed è anche a bassa sensibilità diventa un vero problema.

Dal punto di vista dell’impedenza i diffusori si classificano come segue:

 

a Norma

Se rispettano la norma DIN 45500

Facili (impedenza regolare)

Parzialmente a Norma

Se rispettano la norma DIN 45500 almeno per i minimi di impedenza

Generalmente facili

Non a norna

NON rispetta la norma DIN

Difficili (impedenza tormentata, forti variazioni di fase)

 

Mentre i minimi di impedenza devono essere rispettati per non “spremere” troppo l’amplificatore, i massimi di impedenza sono facilmente tollerati  anche se eccedono i limiti imposti dalla normativa ma sempre a patto che le variazioni di fase siano contenute (quindi il modulo deve variare lentamente).

 

Quando un diffusore presenta una impedenza molto tormentata può tornare utile utilizzare un cavo con una certa componente resistiva (o aggiungere una piccola resistenza in serie al diffusore). In questo modo si riducono le variazioni di fase viste dall’amplificatore che si affanna di meno. Le variazioni sulla risposta in frequenza che ne derivano sono meglio tollerate, all’ascolto, della distorsione prodotta dal clipping dell’amplificatore. Non si tratta comunque si una situazione ottimale e, sinceramente, si dovrebbe consigliare di cambiare  amplificatore o diffusori (propendendo per i diffusori).

  

Questo indica che è preferibile ridurre la distorsione anche a scapito di una risposta in frequenza non perfettamente piatta.

 

 

Misura di Z

 

La misura di Z avviene alimentando l’altoparlante o il diffusore acustico con una corrente costante e misurando la tensione che ne deriva ai suoi capi. 

 

Z(jw) = V(jw)/I(jw) .

 

E’ una misura semplice, facilmente ripetibile e che non richiede camera anecoica o ambienti particolari.

Se si dispone di un analizzatore di spettro a due canali con ingressi differenziali  la misura si semplifica ulteriormente e basta porre una resistenza in serie al DUT. Se non si dispone di ingressi differenziali basta modificare di poco il set up della misura.

Una scheda audio (full duplex) per computer, con un software opportuno, si trasforma in un analizzatore di spettro bicanale con ingressi non differenziali.

 

Analizzatore bicanale con ingressi differenziali

Analizzatore con ingressi non differenziali

R può avere un valore compreso tra 10 e 1000 ohm il valore più adatto dipende dalla precisione richiesta e dalla massima tensione erogabile dall’amplificatore di misura. Per misurare con precisione i minimi di impedenza R deve avere un valore basso. Tipicamente l’impedenza si misura in regime di piccoli segnali.

E’ molto interessante misurare l’impedenza a diversi livelli di corrente.