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Il microfono dinamico

da Il Giornale dell'Installatore Elettrico - 200605


Autore: Umberto Nicolao

Il microfono è un apparato incaricato della trasformazione di suoni in segnali elettrici: in linguaggio tecnico si usa pertanto dire che il microfono è un elemento di trasduzione fonoelettrica. Il prodotto della trasduzione può essere immediatamente sfruttato, come ad esempio avviene nel public address (PA) o sound reinforcement, allo scopo di sonorizzare ambienti più o meno estesi, oppure può essere memorizzato per una successiva riproduzione (figura 1). Si può notare come, in ciascuna tipologia di impiego, nella catena audio il microfono rappresenti il primo anello, l'ultimo è l'altoparlante, un apparato in grado di trasformare segnali elettrici in suoni. L'altoparlante è pertanto esso stesso un elemento di trasduzione, per la precisione di tipo elettroacustico; in questo senso microfono ed altoparlante sono trasduttori la cui funzione è l'una l'inverso dell'altra.
INGRESSO E USCITA DI UN MICROFONO Il microfono è - come detto - un apparato di trasduzione fonoelettrica, ossia che risponde elettricamente a variazioni della pressione sonora; esso può essere pertanto visto schematicamente come una scatola con un ingresso, dimensionalmente una pressione sonora, e una uscita, dimensionalmente una tensione elettrica (figura 2). In fase di trasduzione, un microfono ideale presenta una uscita che è l'esatta replica del suo ingresso, sia nel dominio della frequenza come nel dominio del tempo. In altre parole, nella trasduzione il microfono ideale si comporta sempre in modo uniforme, ovverossia indipendentemente dalla frequenza del suono o della componente sonora.

CLASSIFICAZIONE DEI MICROFONI Il microfono è un dispositivo costituito tipicamente da un elemento di trasduzione (trasduttore fonoelettrico) e da una sezione elettrica o elettronica necessaria per il suo corretto funzionamento o per il suo interfacciamento. La rappresentazione grafica di un generico trasduttore fonoelettrico è illustrata in figura 3. L'effetto di trasduzione di un segnale acustico in un segnale elettrico è ottenibile adottando soluzioni tecnologiche e costruttive tra loro anche molto diversificate. Ciascuna di queste soluzioni porta alla realizzazione di microfoni che esibiscono peculiarità tali da renderli distinguibili da ogni altro sia in termini di utilizzazione, sia in termini di caratteristiche e dunque di prestazioni ottenibili. In virtù di ciò, è possibile classificare i microfoni sotto vari punti di vista: fisico, tecnologico, utilizzativo... L'elemento del microfono che viene esposto al campo sonoro è in genere una sottile lamina di materiale plastico o metallico che si muove o si deforma come conseguenza dell'incidenza delle onde di pressione sonora (figura 4). Questo elemento viene denominato diaframma. Un primo esempio di modalità di classificazione dei microfoni fa riferimento alla grandezza acustica da cui dipende la tensione elettrica prodotta ai terminali del trasduttore fonoelettrico. Si avranno così le due seguenti classi: • trasduttori a pressione; • trasduttori a gradiente di pressione. Trasduttori appartenenti alla prima categoria prevedono che un solo lato del proprio diaframma sia esposto al campo sonoro (figura 4). In tal modo l'andamento della tensione elettrica di uscita è tipicamente l'esatta replica dell'andamento della pressione sonora che incide sul diaframma. Salvo che per suoni di frequenza elevata, la cui lunghezza d'onda tenda a risultare del medesimo ordine di grandezza delle dimensioni del diaframma, il trasduttore fonoelettrico a pressione non presenta comportamenti diversificati a seconda della direzione di provenienza delle onde sonore. Ciò equivale a dire che esso è tipicamente omnidirezionale. Al contrario, nei trasduttori a gradiente di pressione, entrambi i lati del diaframma sono esposti al campo sonoro. Ne consegue che lo spostamento del diaframma deriva da istantanee variazioni della differenza tra le pressioni sonore agenti sulle due superfici, di qui la denominazione di gradiente. Questi trasduttori sono massimamente sensibili a onde di pressione di provenienza secondo un asse perpendicolare al diaframma mentre tendono a rigettare ogni suono proveniente lateralmente, secondo un piano parallelo alla superficie del diaframma. Si vedrà nel seguito della trattazione come un simile comportamento dia luogo ad una caratteristica direzionale detta "a figura di otto". Una classificazione secondo lo schema precedente ha il pregio di essere molto intuitiva sotto il profilo utilizzativo, ma non consente di dare una completa connotazione al microfono. È talora utile riferirsi anche al genere di soluzione tecnologicocostruttiva adottata per la realizzazione del trasduttore. Si avranno così: • trasduttori a carbone; • trasduttori a cristallo; • trasduttori ceramici; • trasduttori a bobina mobile; • trasduttori a nastro; • trasduttori a condensatore; • trasduttori a semiconduttore e così via. Alternativamente ci si può riferire alla proprietà fisica del materiale impiegato o alla peculiarità del principio di funzionamento, per cui si parlerà ad esempio di: • trasduttori piezoresistivi (classe coincidente con quella dei microfoni a carbone); • trasduttori piezoelettrici (classe coincidente con quella dei trasduttori a cristallo); • trasduttori elettrostrittivi (classe coincidente con quella dei trasduttori ceramici); • trasduttori dinamici (classe cui appartengono sia i trasduttori a nastro che quelli a bobina mobile); • trasduttori elettrostatici (classe coincidente con quella dei trasduttori a condensatore). Un'altra classificazione, particolarmente diffusa negli Stati Uniti, prevede una distinzione riferita alla grandezza dinamica che caratterizza il movimento del diaframma e cui risulta proporzionale la tensione di uscita del microfono. Si hanno le due classi: • trasduttori a spostamento; • trasduttori a velocità. Nei trasduttori a spostamento il livello della tensione di uscita è proporzionale allo spostamento del diaframma, mentre nei trasduttori a velocità vi è una diretta corrispondenza tra livello della tensione di uscita e velocità del diaframma. Tale distinzione, oltre che essere poco intuitiva, soffre dei medesimi inconvenienti della classificazione pressione-gradiente.

IL MICROFONO DINAMICO A BOBINA MOBILE La sezione semplificata di un trasduttore fonoelettrico del tipo dinamico a bobina mobile, il genere più impiegato nella maggior parte delle applicazioni di interesse, è riportata in figura 5. Oltre che dal diaframma, esposto al campo sonoro, l'equipaggio mobile del trasduttore impiegato in questo tipo di microfono è costituito di una appendice cilindrica sottostante che fa da supporto a un avvolgimento o bobina realizzato mediante un certo numero di spire di materiale conduttore, verniciato o trattato esternamente a scopo di isolamento. La bobina così costituita si trova immersa in un intenso campo magnetico generato da un complesso magnetico di forma generalmente cilindrica. Il polo centrale, infatti, è costituito di una "pastiglia" di materiale ferromagnetico mentre il polo esterno è di forma anulare; i due poli sono separati da una sottile intercapedine, detta traferro, in cui si produce il campo magnetico. Di fatto la bobina è inserita proprio nello spazio che separa i due poli del complesso magnetico. Dalla figura 5 si può constatare come il diaframma a cupola, che può essere realizzato in vari materiali, dalla carta al metallo alla plastica, risulti vincolato al gruppo magnetico (fisso) mediante un'apposita appendice anulare, la sospensione esterna, che ne impedisce indesiderati movimenti laterali. Il microfono a bobina mobile (moving coil), appartenente alla famiglia dei microfoni dinamici, è in genere di tipo magnetodinamico, ossia è dotato di un complesso a magneti permanenti. Il tipo elettrodinamico, oramai in disuso, richiede invece un circuito supplementare per sviluppare il campo magnetico, solitamente una lunga bobina (solenoide) percorsa da corrente continua. Indipendentemente dalla modalità di generazione del campo magnetico, il principio di funzionamento del trasduttore a bobina mobile è il medesimo: l'incidenza delle onde di pressione sonora determina lo spostamento dell'intero equipaggio mobile, diaframma e bobina, il che produce ai capi della bobina stessa, per gli effetti del campo magnetico in cui è immersa, una variazione di tensione che rispecchia l'andamento della pressione sonora incidente. Essendo un solo lato del diaframma esposto al campo sonoro, il trasduttore fonoelettrico a bobina mobile schematizzato in figura è un evidente esempio di trasduttore a pressione. In realtà un trasduttore a bobina mobile così realizzato presenterebbe prestazioni molto limitate in quanto, ad esempio, sarebbe in grado di convertire efficacemente in segnali elettrici solamente una gamma limitata di suoni. Per consentire un'efficiente trasduzione anche di suoni di frequenze medio-basse e medioalte si usa ricavare nella parte fissa, il gruppo magnetico, più cavità, dimensionate in maniera da poter essere "accordate" a frequenze opportune. In pratica si viene a sfruttare la proprietà di qualunque volume aperto di risuonare in corrispondenza di una certa frequenza (il che produce effetti anche in un suo più o meno esteso intorno), alla stregua della cassa armonica di uno strumento musicale o del mobile bass-reflex di un woofer, altoparlante per le basse frequenze. La sezione di un trasduttore a bobina mobile a tre cavità risonanti è illustrata in figura 6; ogni cavità deve essere dimensionata al fine di ampliare le capacità di trasduzione per suoni di frequenza appartenente ad un ben preciso intervallo. Uno dei principali inconvenienti del trasduttore a bobina mobile è la sua elevata sensibilità a campi magnetici esterni, sul tipo di quelli generati dai trasformatori di alimentazione. La frequenza di rete in Italia è di 50 Hertz, dunque il campo magnetico che si instaura attorno ad un trasformatore di alimentazione è potenzialmente in grado di indurre su di un microfono posto in vicinanza un effetto di richiamo e rilascio della bobina mobile, cosicché l'andamento della tensione ai suoi capi è simile a quella prodotta da un'onda di pressione sonora di frequenza 50 hertz, in piena banda audio, ovvero perfettamente udibile. Onde limitare la sensibilità ai campi magnetici esterni, il trasduttore a bobina mobile viene inserito in un contenitore metallico che funge da schermo alle interferenze. Un rimedio ancor più efficace consiste nell'avvolgere sul medesimo supporto della bobina mobile una seconda bobina, a spire contrapposte rispetto alla prima. Tale avvolgimento supplementare è detto "bobina di compensazione", con terminologia anglosassone "hum-bucking coil". A grandi linee, l'efficacia di questo accorgimento deriva dal fatto che il disturbo indotto sulle due bobine risulta di segno opposto e dunque si cancella. Si osserva da ultimo che l'impedenza del trasduttore fonoelettrico a bobina mobile è normalmente bassa, dell'ordine delle decine di ohm, per cui può rendersi necessario un suo affiancamento con un trasformatore di uscita il cui compito è quello di portare questo valore ai 200-300 Ohm auspicabili per un più ideale interfacciamento con le elettroniche di trattamento del segnale. Un microfono a bobina mobile è pertanto costituito di un trasduttore fonoelettrico e di una bobina di compensazione (ed eventualmente di un trasformatore di uscita), come appare evidenziato nello schema di principio illustrato in figura 7; si noti come l'uscita sia perfettamente bilanciata e schermata e per il suo funzionamento non sia richiesta alcuna sorgente di alimentazione, né interna né esterna. Si sottolinea che, a rigore, la terminologia di "microfono a bobina mobile" è la più appropriata e meno ambigua, in quanto un microfono dinamico può essere realizzato anche con una tecnologia differente, quella "a nastro" (figura 8), per quanto molto meno diffusa. Le caratteristiche di un microfono dinamico a bobina mobile possono essere riassunte come risulta dalla tabella 1.

APPLICAZIONI Per le sue innegabili doti di robustezza e di particolare propensione alla cattura di componenti sonore di frequenze intermedie e basse, il microfono dinamico a bobina mobile trova da sempre ampio utilizzo in applicazioni gravose in termini di condizioni ambientali, come è il caso del giornalismo radiotelevisivo modello "inviato speciale", oppure quello della ripresa sonora in campo ravvicinato della grancassa o del basso elettrico amplificato. La ripresa della voce umana, in ogni ambito di applicazione, è per decenni stata appannaggio pressoché esclusivo del microfono dinamico a bobina mobile, ma in tempi piuttosto recenti quest'ultimo ha dovuto assistere ad un prepotente ritorno del microfono a condensatore, la cui evoluzione tecnologica ha fatto autentici passi da gigante.

BIBLIOGRAFIA • U. Nicolao, Microfoni (Terza Edizione), Ed. Il Rostro, 2004. • D. e C. Davis, Sound Systems Engineering, Focal Press.

DIFFUSIONE STEREO A 2 FILI Qualità, stereofonia e semplicità di installazione sono le caratteristiche del sistema di diffusione sonora 2 fili offerto da BTicino (www.bticino.it), che consente di diffondere e controllare la musica nei vari locali dell'abitazione sfruttando sorgenti sonore proprie al sistema (come la radio) oppure i classici impianti stereo hi-fi in commercio. Le prestazioni, la possibilità di estensione dell'impianto e la qualità del suono consentono l'impiego sia nell'abitazione (dall'appartamento alla villa) sia in ambienti del terziario. Con la nuova diffusione sonora è possibile installare fino a 80 diffusori, permettendo realizzazioni di ampie dimensioni. Sfruttando il concetto del bus due fili, l'installazione è estremamente semplice; qualsiasi variazione, aggiornamento o ampliamento dell'impianto non richiede opere di ricablatura: è sufficiente collegare i nuovi dispositivi e configurarli nel modo opportuno. Per semplificare ulteriormente l'installazione del sistema, BTicino ha realizzato una guida tecnica relativa a differenti tipologie applicative (appartamento, villetta, villa, studio medico, supermercato, ristorante), dove l'installatore può trovare lo schema dell'impianto, la lista completa del materiale da impiegare, la configurazione di tutti gli apparecchi e alcuni consigli su come installare in maniera ottimale i dispositivi. La nuova diffusione sonora è integrata con il mondo My Home, sia dal punto di vista installativo sia funzionale. Per quanto riguarda il primo aspetto, i dispositivi della diffusione sonora e della videocitofonia due fili possono essere installati sullo stesso cavo e sfruttano lo stesso alimentatore. Ciò consente di risparmiare e di ridurre il numero di cavi, poiché viene utilizzata la medesima infrastruttura. Il sistema offre inoltre interessanti integrazioni funzionali: per esempio, a una chiamata esterna del videocitofono il volume della musica può diminuire per consentire la risposta, oppure è possibile inviare messaggi dal videocitofono in tutti gli ambienti della casa utilizzando i diffusori. Configurando gli scenari, è possibile, con un unico comando, alzare le tapparelle, accendere le luci o attivare la radio o l'impianto stereo.

PRODOTTI & SOLUZIONI
SISTEMA PUBLIC ADDRESS Il sistema PA 9000 di Tutondo (www.tutondo.com) è stato progettato per dare tutto il piacere della diffusione sonora con il massimo delle integrazioni e della comodità di gestione. È un sistema moderno e all'avanguardia studiato per grandi ambienti: locali pubblici, alberghi, ristoranti. Si possono scegliere le sorgenti sonore più moderne o utilizzare gli apparecchi già esistenti. Ogni sistema comanda e controlla fino a nove sorgenti sonore (cd, dvd, tape, tuner, videoregistratore, ricevitore satellitare, personal computer) e ne diffonde il suono fino a 40 zone. Per il controllo dell'audio in ogni ambiente si utilizzano comandi incassati come gli interruttori della luce e con questi esteticamente coordinati, oppure telecomandi RC9NTR; il sistema prevede che possano coesistere più comandi nella stessa zona: una particolarità innovativa che ne valorizza la fruibilità e la comodità di utilizzo. I comandi da incasso CZ9NTC e CZ91NTC, semplici e intuitivi nell'uso, di dimensioni contenute, sono dotati di display multifunzione normalmente indicante la sorgente sonora in ascolto; se viene utilizzato il cambio funzioni 'scan' il display indica la stazione radio o il cd ascoltato. La tastiera comprende i controlli indipendenti di volume, toni, selezione sorgente, off e sleep per lo spegnimento in automatico dopo un tempo desiderato. I sistemi Tutondo 9000 prevedono anche microfoni incorporati nei comandi a parete per diffondere messaggi generali in tutti gli ambienti o indirizzati ad un particolare luogo; da ogni telefono interno è possibile dialogare con tutta la struttura attraverso i diffusori acustici. I sistemi, coordinati con i servizi di allarme e segnalazione eventi, possono trasmettere messaggi audio preregistrati per dare informazioni immediate su che cosa è successo e che cosa fare.

SISTEMA MULTIROOM 6000 Il sistema di diffusione sonora Tutondo Multiroom 6000 (www.tutondo.com) è una soluzione efficace ed evoluta per diffondere suono e comunicazione nella casa. L'utilizzo di telecomandi o comandi a muro ne contraddistingue la grande praticità. Comanda e controlla 5 sorgenti sonore (cd, dvd, tape, tuner, videoregistratore, ricevitore satellitare, pc) e un ingresso microfonico con il quale inviare messaggi nella stanza selezionata o in tutte le zone. Il Sistema Multiroom Tutondo 6000 è estendibile e permette la diffusione del suono fino a 40 stanze. Contemporaneamente, da ogni stanza, si può controllare il volume, i toni, selezionare il programma, scegliere il cd e la stazione radio, ascoltare la musica con le cuffie. Inoltre, da ogni comando della stanza è possibile cambiare le stazioni radio e i dischi del lettore cd. Ciascun ambiente può essere corredato da qualunque numero desiderato di diffusori sonori hi-fi da incasso, parete o soffitto, di varie potenze e design (modelli da incasso Papiro, Folio, Ozio, Krono oppure da parete o scaffale Sydney, Rio, ecc.), di subwoofer, oppure dal diffusore invisibile a completa scomparsa "Utopia".

VOICE EVACUATION SYSTEM CONFORME ALLA NORMATIVA EN60849 Fbt Elettronica (www.fbt.it), divisione Audio Contractor, presenta il nuovo sistema V-Evac, Voice Evacuation System: un sistema indicato per le installazioni di impianti di diffusione sonora che - oltre a fornire un'efficace infrastruttura di comunicazione che consente di effettuare annunci selettivi o di distribuire musica di sottofondo - è in grado di garantire la più efficace distribuzione di segnali o messaggi di allarme, in condizioni di emergenza o di allerta. Un impianto V-Evac costituisce un sistema di sonorizzazione con controllo diagnostico, comprendente la funzione di invio di messaggi di evacuazione, rispondenti alla normativa EN60849. Alle caratteristiche funzionali di un sistema di diffusione "convenzionale", il sistema di sorveglianza V-Evac aggiungerà pertanto quelle di controllo e di allarme. In particolare si avrà: - un controllo del percorso del segnale audio a partire dalla capsula del microfono d'emergenza e/o dal generatore di messaggi, fino alla linea altoparlanti attraverso la catena di amplificazione: qualsiasi guasto in questo percorso deve essere segnalato in modo opportuno; - possibilità di funzionamento in assenza di rete per almeno 30' alla massima potenza e per 24 ore in condizione di stand-by. Pertanto viene prevista un'alimentazione secondaria in continua a 24 Vcc, con unità di ricarica delle batterie, dimensionata in modo tale da garantire le autonomie sopraindicate in funzione dell'assorbimento del sistema; - memorizzazione, su memoria non volatile, degli eventi di allarme. Il cuore del sistema è rappresentato da una matrice Man918, che consente la diffusione di messaggi di emergenza su un impianto multizona, con annunci selettivi e musica di sottofondo, con una gestione efficace della sorveglianza dell'impianto stesso, a partire dalla capsula microfonica della base microfonica fino alla linea altoparlanti. La matrice è disponibile in 2 versioni: Man918 e Man918l. Man918: matrice digitale, flessibile, affidabile e semplice da configurare. Dotata di 8 ingressi contemporanei su 18 uscite con possibilità di espansione; possibilità di collegare 7 basi microfoniche contemporanee e 7 con link seriale, con 7 sorgenti musicali, di cui 4 contemporanee con selezione remota. Consente 18 uscite con selezione differenziata sia del programma musicale, sia del volume per ciascuna uscita. Dotato di un display digitale e tastiera per la programmazione e la verifica dello stato. È incorporato un generatore di segnale di sorveglianza a 20 kHz. Monitor centralizzato dello stato di sorveglianza delle basi microfoniche, della matrice, degli amplificatori e delle linee di diffusori. Dotata di link seriale RS422 per una gestione remota tramite pc e tramite l'unità dedicata di sorveglianza CS849. È inoltre dotata di interfaccia dedicata per il sistema di rilevazione emergenza, con commutazione automatica delle zone, invio dei messaggi di allarme e generazione delle segnalazioni di guasto. Include anche un generatore interno di 2 messaggi digitali della durata di 1 minuto, di cui uno per l'evacuazione e l'altro per l'informazione. Inoltre si possono inviare messaggi aggiuntivi utilizzando un generatore digitale di messaggi esterno, Msx16. È dotata di 24 ingressi logici programmabili per differenti controlli remoti, come la selezione del programma musicale, gestione dell'indirizzamento dei messaggi e comprende anche 7 preset contatti in ingresso per chiamate generali. È provvista di 24 uscite logiche da utilizzare, ad esempio, per il controllo dei volumi delle zone, segnalazioni remote sugli stati e altre funzioni. Man918L: è la matrice con caratteristiche analoghe alla Man918, dalla quale si differenzia per il numero di ingressi gestiti, che sono 4, e il numero delle uscite, che sono 4. CS849: unità di sorveglianza a microprocessore che gestisce in modalità centralizzata le segnalazioni di guasto degli amplificatori e delle linee di altoparlanti, con segnalazione dello stato sul pannello frontale su pc, tramite link seriale. La sua capacità di gestione è per 9 amplificatori, più 9 linee di altoparlanti e 1 amplificatore di riserva. Dotata di doppio link seriale: uno per un pc esterno e uno per gli amplificatori. Gestisce la commutazione automatica sull'amplificatore di riserva. Comunica con la matrice Man918 per mostrare qualsiasi tipo di guasto sia stato rilevato nell'impianto audio. Lo stato è mostrato attraverso dei led sul pannello frontale. È dotata di un altoparlante integrato per il monitoring, con un selettore di canale. Adatto per sistemi audio integrati, in piena conformità con lo standard EN60849. Dsr849: console microfonica, dotata di microfono flessibile, con tastiera per la selezione delle zone, display lcd, preamplificatore interno, segnalazioni di preavviso digitali con segnalazioni visive a led, completamente monitorata, inclusa la capsula microfonica, in conformità alla normativa europea EN60849 per sistemi di evacuazione di emergenza. Uscita -10dB/bilanciata con trasformatore, risposta in frequenza 100-12.000Hz, controllo multizona per mezzo della tastiera, display lcd a 1 linea a 16 caratteri.

PER SAPERNE DI PIÙ Chi vuole approfondire l'argomento, può acquistare il volume Microfoni (terza edizione), Ed. Il Rostro, 2004, disponibile - a prezzo scontato - nella biblioteca tecnica del sito www.elettricoplus. it. Nel libro Umberto Nicolao spiega come scegliere il microfono del tipo più adatto per ogni applicazione e come essere in grado di sfruttarlo al meglio a seconda delle specifiche tecniche: una risposta al diffuso desiderio di ampliare (o anche solo rinfrescare) le proprie conoscenze in materia. Rispetto alle precedenti edizioni, figure e illustrazioni sono state riviste in modo da fornire informazioni più chiare e immediate al lettore; in appendice è stato inserito un certo numero di schede di microfoni di corrente produzione ritenuti particolarmente rappresentativi delle diverse applicazioni.

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