Ascoltare le onde: come costruire un altoparlante Teach article

Esploriamo la scienza del suono e dell’elettromagnetismo con questa attività pratica di costruite da voi stessi.

Gli esseri umani hanno fatto musica sin dalla preistoria: dal picchettare ritmamente tra loro e su una pietra dei nostri antenati, alla creazione di sinfonie complesse dei secoli recenti. Oggi possiamo ascoltare la musica, in ogni istante e dovunque, grazie in parte agli altoparlanti dei nostri smartphone o dagli mp3. Quanti dei nostri studenti dei nostri giorni, conoscono come funzionano gli altoparlanti? 

Questo articolo descrive come costruire un altoparlante utilizzando dei semplici materiali (Capell Arques, 2011). Le attività permettono agli studenti di osservare direttamente un’applicazione sorprendentemente semplice e diffusa della fisica del suono e dell’elettromagnetismo in modo divertente e motivato.

Come funziona un altoparlante?

Un altoparlante converte una corrente elettrica in suono (trasformare l’energia elettrica in energia acustica) utilizzando due componenti principali: un magnete e un avvolgimento in rame. Quando la corrente elettrica passa attraverso l’avvolgimento, produce un campo magnetico (come descritto dalla legge sull’induzione di Faraday), trasformando l’avvolgimento in un elettromagnete.

La corrente prodotta da un segnale audio non è costante, comunque; è un segnale che varia alternativamente da valori positivi e negativi. Questo significa che la corrente nell’avvolgimento cambia continuamente direzione, come la polarità del campo magnetico indotto da questa corrente. Se portiamo un magnete permanente con un campo magnetico costante vicino ad un avvolgimento, il magnete permanente e l’elettromagnete (l’avvolgimento) interagisce, variando rapidammente tra attrazione e repulsione,  e ne risulta un movimento avanti e indietro (vibrazioni) del magnete e dell’avvolgimento. Queste vibrazioni passano all’ambiente esterno. Quando raggiungono il nostro timpano, il cervello interpreta le vibrazioni come suoni se la frequenza è nell’intervallo udibile (tra I 20 Hz e 20 kHz).

Nel nostro apparato, utiliziamo un disco magnetico di neodimio, fissiamo l’avvolgimento e il magnete su un vecchio CD o DVD utilizzato come supporto. Quando l’avvolgimento-CD è posto al di sopra del magnete-CD, e l’avvolgimento è connesso ad un segnale audio, l’avvolgimento e il magnete interagiscono. Poichè il magnete-CD è molto più pesante dell’avvolgimento-CD, possiamo trascurare le vibrazioni del magnete-CD e considerare esclusivammente le vibrazioni dell’avvolgimento-CD.

Attivita 1: Costruzione dell’altoparlante

Questa attività può essere proposta agli studenti di 14-16 anni e si impiegheranno all’incirca 50 minuti. Suggeriamo che si possa lavorare in gruppi di 3-4 studenti.

Materiali

Per costruire un altoparlante:

• Un disco magnetico in neodimio, di circa 20 mm di diametro e 10 mm di spessore
• Un avvolgimento in rame smaltato di diametro di 0.2.mm e di circa 3.5 m in lunghezza
• Un cavo audio di diametro 3.5 mm, mono o stereo (vedi la figura 1 per determinare il tipo di cavo che avete). Si possono usare anche dei vecchi auricolari. Notate che è richiesto che il cavo dia accorciato.
• Stuzzicadenti
• Due vecchi CD o DVD
• Due connettori a coccodrillo
• Un tappo in sughero
• Colla PVA (colla Polivinilica)
• Carta abrasiva e cutter
• Forbici e bobine di cavo
• Nastro adesivo
• bicchiere di plastica
• Fonte audio con una presa tipo jack (p.e. computer, mp3, smartphone)

Procedura

1. Avvolgere con 50 spire di cavo di rame intorno al tappo in modo piú possibile, moltDo compatto, lasciando 5-10 cm di cavo libero all’inizio dell’avvolgimento. Dovrete successivamente sfilare l’avvolgimento dal tappo quando avrete finito di avvogerlo, cosí non stringete molto forte le volute per sfilarlo facilmente. Per evitare ciò, potete inserire uno stuzzicadenti tra il tappo e il cavo per poter mantenere un certo spazio tra tappo e cavo.
2. Tagliare il cavo lasciandone liberi circa 40 cm all’estremità.
3. Rimuovere con cautela l’avvolgimento dal tappo. Avvolgere il lungo pezzo di cavo rimasto attorno all’avvolgimento per evitare che le spire si separino, lasciare circa 5-10 cm di cavo all’estremità, come mostrato in figura 2.
    

   

4. Usate la carta abrasiva o la lama di un cutter per rimuovere lo smalto degli ultimi 1-2 cm da entrambe le estremità del cavo di rame.
5. Incollate l’avvolgimento al centro di un CD usando la colla PVA (polivinilica) (il disco serve come supporto dell’avvolgimento).
6. Usando un paio di forbici o una pinza spellacavi, tagliate e spellate il cavo audio per esporre il rame all’interno. Normalmente il cavo della messa a terra è nudo mentre i cavi audio sono ricoperti con un involucro di plastica. (figura 3).
    

   

7. Connettete i cavi audio ad una estremità dell’avvolgimento e al cavo di messa a terra all’altra estremità dell’avvolgimento utilizzando due coccodrilli. Nel caso di un cavo stereo, connettere esclusivamente uno dei canali audio all’avvolgimento (il cavo audio destro o sinistro) e lasciato l’altro inutilizzato.
8. Incollate o nastrate il disco magnetico di neodymio al centro del secondo CD (figura 4).
    

   

9. Mettete il CD col magnete su una superficie piana (con il magnete rivolto verso l’alto) e posizionare il CD con l’avvolgimento (l’avvolgimento verso l’alto).
10. Connettere il jack audio con la vostra sorgente audio (figura 5). Secondo la nostra esperienza, un computer è la sorgente piú affidabile, poiché la corrente proveniente da uno smartphone potrebbe essere troppo debole.
     

    

11. Scegliere un brano musicale o un file audio e alzare al massimo il volume. Se tutte le connessioni sono corrette, dovreste sentire il suono un po’ evanescente ma chiaro. A seconda della forza dei vostri magneti, potreste essere anche in grado di sentire, se lo toccate, vibrare l’avvolgimento.
12. Per alzare il volume, dovete fare pressione del bicchiere di plastica sull’avvolgimento.
13. Si può variare la distanza tra l’avvolgimento e il magnete muovendo i due CD. Di come si modifica il volume, e perché?

Suoni e forme d’onda

Il volume (l’ampiezza della vibrazione) e il tono (la frequenza della vibrazione) sono determinate dalla forma e dalla configurazione delle armoniche della corrente trasmessa in funzione del tempo, cioè, la forma d’onda. Tutte le informazioni sul suono codificato nel file audio sono contenute in questa forma d’onda. La forma d’onda, essenzialmente descrive la dipendenza dal tempo di tutte e tre le componenti – la corrente elettrica, il campo magnetico indotto e la vibrazione dell’avvolgimento.

Un meraviglioso strumento per studiare il suono (la forma d’onda, ampiezza, la frequenza e il tono) è un software gratuito chiamato Audacity^w1. Nella prossima attività, gli studenti utilizzeranno questo software per osservare la forma d’onda emessa dall’altoparlante fatto in casa.

Attività 2: Visualizzazione della forma d’onda

Dall’attività, gli studenti dovrebbero comprendere che la forma d’onda che essi vedranno ha la forma di una corrente che varia col tempo che è trasmessa dalla sorgente audio attraverso l’avvolgimento. Questa corrente induce una variazione del campo magnetico attraverso l’avvolgimento, con la stessa forma d’onda. Gli studenti dovrebbero lavorare con gli stessi gruppi formati in precedenza; l’attività li terrà occupati per circa 20 minuti.

Materiali

• Altoparlante casalingo
• Computer con il programma di Audacity installato
• File audio di vostra scelta.

Procedura

1. Iniziare col generare un suono puro (sinusoidale) dall’altoparlante utilizzando il menú di Audacity (Menú: Generare>Impulso). Gli studenti vedranno l’onda generata sullo schermo (figura 6A). Riprodurre il tono attraverso l’altoparlante.Gli studenti vedranno sullo schermo (figura 6A). Riprodurre il tono mediante le casse.
2. Successivamente, importare un file audio tipo una canzone (Menu: File>Import>Audio).
3. Utilizzare la funzione zoom per vedere piú chiaramente la forma d’onda. La figura 6 mostra immagini a successivi gradi di zoom della forma d’onda del brano di van Morrison dal titolo ‘The Healing Game’ (Il gioco che guarisce). Se zoomiamo abbastanza, si può osservare la reale forma d’onda.
4. SI possono effettuare degli esperimenti grazie al software a disposizione, le varie ampiezze della forma d’onda mano a mano che ci si sposta lungo il file audio. 
5. Il software Audacity mostra la lunghezza dell’intervallo di tempo selezionato, alla base dello schermo. Usate questa possibilità per stimare la scala temporale della vibrazione misurando l’intervallo di tempo da picco a picco, cioè il periodo. 

Discussione

Nella nostra esperienza, gli studenti trovano questo progetto semplice e un divertente modo per capire la fisica che sta dietro a un altoparlante. Si possono proporre le seguenti domande per valutare il grado di comprensione dei concetti proposti agli studenti.

• Che cosa è un altoparlante? Elencate i suoi componenti.
• Quale dispositivi utilizzate che contengono un avvolgimento e un magnete per produrre suoni?
• Qual è la sequenza degli eventi che risultano nella produzione del suono attraverso l’altoparlante?
• Qual è lo scopo di far pressione sul bicchiere di plastica contro l’avvolgimento?
• Che effetto produce l’avvicinamento e l’allontanamento per variare la distanza  dei due CD?
• Che cosa succede se rimuoviamo il magnete permanente fissato al CD?
• Qual è l’interazione che fa vibrare l’avvolgimento?
• Cosa descrive è la forma d’onda (osservata su Audacity)?
• L’aria attorno all’avvolgimento come vibra rispetto ad esso (spostamento)?
• Cosa potete dedurre a partire dalla scala del tempo della vibrazione di queste forme d’onda?

Altre idee

Il nostro progetto può essere quale supplemento in molti modi, per esempio:

• Potete considerare una variazione del progetto, incollando l’avvolgimento sul fondo di un bicchiere di plastica e connetterlo a una sorgente audio usando un cavo audio. Aprendo il coperchio del bicchiere e tenendolo vicino al vostro orecchio e tenendo un magnete vicino all’avvolgimento dovreste ascoltare un suono ^w2. 
• Cercare di aprire un paio di vecchi auricolari per individuare i vari componenti all’interno (ad es., avvolgimento, magnete, ecc.) ^w3. 
• Illustrate le funzioni del fonografo (la versione meccanica dell’altoparlante) come alternativa per comprendere le relazioni tra suono e forma d’onda ^w4.

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