Impedenza (elettrica di un sistema di altoparlanti)

Revisione del 2 settembre 2015  dedicata a Fabrizio Calabrese

vedere anche EPDR

 

Impedenza:

l’impedenza è quella “cosa” che impedisce alla causa di provocare un effetto di ampiezza infinita. Per esempio la forza (per massa costante) vale  F=ma. La forza è la causa e l’accelerazione e l’effetto: più la massa è grande più l’accelerazione è piccola. Più l’impedenza è grande più l’effetto è piccolo. Lo stesso ragionamento si applica alla legge di Ohm V=RI : V (tensione) è la causa mentre I (corrente) è l’effetto. R (resistenza) si oppone alla circolazione della corrente…. E avanti così….. quindi il termine impedenza indica qualche cosa che “impedisce”…

 

Tecnicamente l’impedenza elettrica di un dispositivo bipolare è il rapporto (in generale complesso) tra la tensione applicata ai suoi capi e la corrente che lo attraversa secondo la Legge Generalizzata di Ohm V(jw)=Z(jw)I(jw)  dove w rappresenta la pulsazione e j è l’unità immaginaria. Nel caso semplice di grandezze continue ed indipendenti dalla frequenza vale la Legge di Ohm V=RI. Nel caso particolare di impedenze puramente resistive vale v(t)=R i(t).

Non si confonda l’impedenza di radiazione con l’impedenza elettrica.

 

Impedenza (elettrica di un sistema di altoparlanti):

dal punto di vista elettrico il diffusore acustico è un bipolo. L’impedenza elettrica di un bipolo è il rapporto tra la tensione applicata ai suoi morsetti e la corrente che lo attraversa. Di norma un diffusore acustico commerciale presenta una impedenza variabile con la frequenza con valori minimi che possono scendere sotto un ohm e valori massimi che possono superare 50 ohm. Ciò avviene malgrado l’esistenza delle Norme DI 45500 che fissano i limiti per i massimi e minimi dell’impedenza dei diffusori acustici per Alta Fedeltà. Ne segue che la maggioranza dei diffusori in commercio non è a norma.

 

L’impedenza elettrica di un diffusore acustico è una grandezza non lineare che dipende dalla temperatura e dall’ampiezza del segnale applicato. E’ opportuno misurare la distorsione di corrente prodotta dalla non linearità dell’impedenza. Un tipico elemento non lineare sono le induttanze dotate di nucleo ad alta permeabilità utilizzate nei filtri cross-over. Vedere anche Fattore di Smorzamento.

  

Esempio di impedenza Problematica (modulo)

(da SUONO)

Esempio di impedenza quasi costante (rosso=fase)

(da Audio Review)

  

 

impedenza di un sub woofer di produzione cinese misurata in aria libera con e senza la massa aggiunta (per la determinazione dei parametri). Si noti come, con la massa aggiunta, la risonanza si abbassa e l’impedenza aumenta perché la bobina mobile viene spinta dentro al traferro. Si notano anche delle risonanze causate dal cattivo fissaggio della massa aggiunta.

 

Il nuovo Standard di classificazione dei diffusori acustici in funzione dell’impedenza elettrica

 

Norma DIN : (0.8 x Znominale) <  Z < (1.2 x Znominale) senza limiti per la fase

 

Il nuovo standard

 

Z nominale = minimo valore della parte reale dell’impedenza

 

Znominale deve essere maggiore o al limite uguale a 2 ohm (carico di riferimento per l’intervento delle protezioni negli amplificatori). Equivale a 4 ohm con fase di 60°.

 

Le protezioni degli amplificatori non reagiscono allo spettro del segnale ma ai valori istantanei di tensione, corrente o di potenza: l’intervento della protezione è determinato dalla forma del segnale non tempo.

 

 

rette di carico degenerate a causa della reattività del carico. Sovrapposizione di più frequenze

 

 

 

Impedenza della Bobina Mobile dell’altoparlante:

 

la bobina mobile di un altoparlante è composta da un filo di rame (o alluminio o altro) avvolto (da uno a quattro strati) su un supporto cilindrico. Come tale possiede una sua induttanza. Quando la bobina viene immersa nel traferro il polo centrale (in ferro dolce o Alnico o altro) altera  l’induttanza. Le correnti di Focault che si instaurano nel polo centrale riducono l’induttanza propria della bobina la cui impedenza, anziché crescere di 6 dB per ottava, finisce per crescere di 3  dB circa per ottava. Le cose si modificano ulteriormente se vengono impiegati gli anelli stabilizzatori di flusso (in rame o alluminio). In tal caso l’induttanza si riduce sensibilmente alle frequenze medie per poi risalire moderatamente alle frequenze alte. L’induttanza propria della bobina mobile viene approssimata con circuiti equivalenti più o meno complicati o con una espressione analitica i cui parametri sono a volte presenti nei data sheet forniti dai produttori.

Il filo della bobina mobile è normalmente di sezione circolare ma può essere anche esagonale (Scanspeak, Morel) e rettangolare (Focal e altri). Il filo se non è di rame è di alluminio e in CCAW (rame rivestito di alluminio). La distorsione prodotta dall’altoparlante aumenta con il numero di amper-spire della bobina mobile (che aumentano il flusso). Per questo motivo i midrange ed i tweeter hanno bobine molto leggere, corte e composte da uno o due strati al massimo. I woofer arrivano a 4 strati per aumentare il prodotto BL. 

 

RE = resistenza in continua della bobina mobile,  ZL = impedenza (induttanza) della bobina mobile,  QMS = fattore di merito meccanico dell’altoparlante,  S = jw,  W = pulsazione = 2 p f   con f = frequenza,  j = unità immaginaria

 

 

 

Alcuni costruttori forniscono 4 parametri

 

krm   kxm

erm   exm

 

che vanno inseriti nell’espressione:

 

 

che fornisce l’impedenza della bobina mobile (approssimata)

Circuiti equivalenti

Interpolazione

 

 

 

 

 Andamento della induttanza e della resistenza della bobina mobile di un woofer da 10” (tratta da data sheet Beyma). Re non aumenta a causa dell’effetto pelle del conduttore perché il diametro è troppo piccolo. Re aumenta a causa delle correnti di perdita (in parallelo all’induttanza). Vedere i circuiti equivalenti.

 

 

 

Impedenza elettrica di ingresso (di un amplificatore HiFi):

è il rapporto tra la tensione applicata all’ingresso e la corrente assorbita. Per un amplificatore di tensione l’impedenza elettrica di ingresso dovrebbe essere  infinita e puramente resistiva. Nella pratica si osservano valori a partire da qualche Kohm fino a 100 Kohm (più è alta più aumenta il rumore con ingresso aperto). Un valore tipico in HiFi va da 10 a 47kOhm. L’impedenza di ingresso dell’amplificatore rappresenta l’impedenza di carico per il dispositivo che lo precede (pre-amplificatore, lettore CD, ecc.).

 

Impedenza elettrica di uscita (di un amplificatore): 

è il rapporto tra la tensione in uscita e la corrente di cortocircuito.  Per un amplificatore ideale dovrebbe essere nulla. Nei sistemi retroazionati è limitata dalla impedenza di uscita ad anello aperto. Vedere anche fattore di smorzamento.

 

Impedenza di uscita ad anello aperto per l’amplificatore operazionale National LMV321

 

Il guadagno ad anello aperto (con polo dominante) è di circa 60 dB a bassa frequenza quindi ad anello chiuso l’impedenza di uscita assume caratteristica induttiva.

 

Il valore dell’impedenza di uscita ad anello chiuso viene ridotto tipicamente di 10000 volte e si riduce a centesimi di ohm.

 

Impedenza effetto della variazione di impedenza nella propagazione di onde:

Una discontinuità, nel diametro di un tubo, nell’indice di rifrazione, nei parametri di un cavo, nella sezione di una tromba mal progettata, corrisponde ad una variazione di impedenza. Ovunque sia presente una variazione di impedenza si osservano fenomeni di riflessione. Ovunque si verifichi una variazione della velocità di propagazione  (causati da variazione di impedenza caratteristica del mezzo) si osservano fenomeni di riflessione e rifrazione.

Il mare Adriatico è una specie di lungo tubo collegato al Mediterraneo a Otranto e chiuso a Trieste. L’onda di marea entra a Otranto, si propaga fino a Trieste dove si riflette e torna indietro. L’onda riflessa, giunta a Otranto, passa dal “tubo” Adriatico alla “vasca”  Mediterraneo. Questa discontinuità (variazione di impedenza) riflette una parte dell’onda di marea verso Trieste dando origine al fenomeno della Sessa (sovrapposizione dell’onda di marea con l’onda riflessa). Quest’ultimo esempio illustra la generalità della situazione.

 

Esempi di variazione di impedenza:

 

Variazione del diametro di un tubo

 

Variazione dell’indice di rifrazione tra due mezzi trasparenti

 

Impedenza acustica caratteristica:

per onde piane nell’aria Z= rc  (densità x velocità del suono). È caratteristica del mezzo in cui l’onda si propaga. L’impedenza acustica è il rapporto tra pressione e velocità (per onde piane e per piccoli segnali -> legge di Ohm -> Δ p = ρ0 c v).

 

Impedenza acustica complessa:

rapporto tra velocità di superficie e velocità delle particelle attraverso una superficie.  (surface sound velocity)/(sound particle velocity)

 

Impedenza acustica specifica:

 

è il rapporto tra la pressione complessa in un punto e la velocità complessa delle particelle d’aria in quel punto. Rappresenta la resistenza che il mezzo offre alla variazione di pressione.

 

 

 


vedere anche: Impedenza Fattore Discriminante