Ascoltare le onde: come costruire un altoparlante Teach article

Tradotto da: Rocco G- Maltese. 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.

Costruendo la loro versione di un altoparlante, gli studenti imparano a conoscere le forme d’onda e la fisica del suono.
mtmmonline/pixabay.com CC0

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.

The main components of the homemade loudspeaker include an audio source, wire coil, magnet and plastic cup. The coil and magnet are attached to CDs or DVDs for support.
Le principali componenti dell’altoparlante domestico include una sorgente audio, un avvolgimento in rame, un magnete e una tazzina di plastica. L’avvolgimento e il magnete sono incollati a due CD o DVD, utilizzati come supporto.
Elizabeth Goiri
Audio source: Sorgente audio;
Permanent magnet: Magnete permanente;
Plastic cup: Tazzina di plastica;
Wire coil (electromagnet): Avvolgimento in rame (elettromagnete);
CDs: Diversi 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)

Nota di sicurezza

Fate attenzione a maneggiare con cura i magneti di neodymio per evitare di danneggiare l’apparato elettrico o di farsi chiudere le dita tra I due magneti. Bisogna prestare attenzione anche quando si spellano i cavi con le forbici o con la pinza spella cavi.

 

Figure 1: Identify the type of cable (and the different wires it contains) by counting the number of black insulating rings on the audio jack.
Figura 1: Identificare il tipo di cavi (e differenti fili che contiene) contando il numero di anelli neri isolanti nei cavi nei jack audio.
Elizabeth Goiri
Audio: Audio;
Audio (left): Audio (sinistro);
Audio (right): Audio (destro);
Earth: Messa a terra;
Microphone: Microfono;
Mono audio jack: Jack audio mono;
Stereo audio jack: Jack audio stereo;
Stereo jack with microphone: Jack stereo con microfono

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.
     

    Figure 2: The coil for the loudspeaker is created by winding copper wire around a wine cork.
    Figura 2: L’avvolgimento necessario ad un altoparlante è stato creato avvolgendo il cavo di rame attorno ad un tappo.
    Elizabeth Goiri
     

  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).
     

    Figure 3: A stripped stereo audio cable shows two audio wires and one bare earth wire.
    Figura 3: Un cavo audio spellato mostra due cavi audio e uno nudo di messa a terra.
    Elizabeth Goiri
     

  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).
     

    Figure 4: Using tape or glue, the magnet is fixed to a CD for support.
    Figura 4: Usando del nastro adesivo o della colla, fissare il magnete al CD che funziona da supporto.
    Antxon Anta
     

  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.
     

    Figure 5: The components of the loudspeaker, using an mp3 player for the audio source
    Figura 5: Le componenti di un altoparlante, come fonte audio si è utilizzato un lettore mp3.
    Antxon Anta
     

  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 Audacityw1. 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. 
Figure 6: A: pure 440 Hz sine wave generated by Audacity; B: entire audio clip of ‘The Healing Game’ by Van Morrison imported into Audacity; C: close-up of the red-outlined area in panel B; D: further zoom showing part of the waveform from panel C (marked in red), which corresponds to the current through the coil
Figura 6: Un tono puro a 440 Hz sinusoidale generato da Audacity;  B: l’intera audio clip di ‘The Healing Game’ di Van Morrison importato in Audacity; C: ingrandimento dell’area in rosso nel pannello B; D:un ulteriore zoom per evidenziare parte della forma d’onda dal pannello C (in rosso), che corrisponde alla corrente lungo l’avvolgimento
Elizabeth Goiri

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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References

Web References

  • w1 – Audacity è un software libero che è disponibile presso il sito web di Audacity.
  • w2 – Visitate il sito web di Exploratium per le istruzioni relative alla costruzione di un altoparlante con un bicchiere di plastica.
  • w3 – Per aiutarsi con una guida allo smantellamento di un auricolare potete seguire la seguente guida nel sito web di Explain that Stuff.
  • w4 – Per le istruzioni relative alla costruzione di un grammofono, visitate il sito web di Exploratiu.

Resources

  • Il sito web Explain that Stuff fornisce informazioni utili su come funzionano gli altoparlanti.

Institution

Science on Stage

Author(s)

Antxon Anta insegna matematica, fisica e chimica alla scuola Tedesca di San Sebastiàn (Deutsche Schule San Alberto Magno), Spagna, e ha diretto molti corsi di aggiornamento per insegnanti in molte scuole del paese. Antxon partecipa regolarmente alle fiere di scienza e nelle competizioni annuali di ‘Scienza in Azione’, dove ha vinto numerosi premi.

Elisabeth Goiri ha ottenuto il PhD in nanoscienze dall’Università dei Paesi Baschi, Spagna un master in educazione secondaria specializzandosi in fisica e chimica. Ha completato il suo internato master nella Scuola Germanica di San Sebastiàn sotto la supervisione di Antxon Anta.

Entrambe hanno partecipato nel 2017 a Science on Stage in Debreen, Ungheria, con un progetto comune intitolato ‘Fisica per Tutti’ (Physics for Everyone).


Review

L’elettromagnetismo è spesso considerato uno scoglio insormontabile da parte degli studenti, ma questo articolo illustra un interessante nuova applicazione che permette agli insegnanti di introdurre l’insegnamento attivo nelle loro lezioni.

L’argomento è adatto ad essere presentato come dimostrazione agli studenti di età 11-14 anni e può essere utilizzato con studenti di età 14-16 anni come attività di laboratorio per esplorare come funziona un altoparlante. Per organizzare un’attività di laboratorio gli insegnanti dovrebbero far competere tra di loro gli studenti tra quelli che ottengo la migliore qualità del suono, e iniziare una discussione tra studenti ed insegnanti. Per gli studenti piú anziani (per es. Quelli di età 16-19 anni), l’articolo potrebbe essere utilizzato come punto di partenza per introdurre la nozione di correnti indotte, con studenti che cercano gli effetti che queste correnti hanno sulla qualità del suono degli altoparlanti.

I principi sottolineati in questa attività posso anche fare riferimento alla sismologia, con studenti che utilizzano l’avvolgimento elettromagnetico per osservare le vibrazioni (per es. I tremori), che possono essere successivamente visualizzati con Audacity.


Colin Oates, insegnante di fisica in Scozia, Regno Unito




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CC-BY