Gli altoparlanti sono elementi incaricati di trasformare i segnali elettrici che ricevono in onde sonore udibili dall’orecchio umano, sono pertanto dei trasduttori elettroacustici che svolgono la loro funzione grazie al movimento di una membrana azionata da un dispositivo elettromagnetico o elettrostatico. E’ un componente che non si è molto evoluto col passare del tempo benché attualmente la sua tecnologia si sia assai sviluppata con l’introduzione di nuovi materiali e processi di fabbricazione.
Vi sono rari altoparlanti specializzati che hanno una struttura e un funzionamento del tuttoparticolari (altoparlanti elettrostatici, al plasma), ma nella stragrande maggioranza dei casi si ha a che fare con altoparlanti di tipo “dinamico”, che è il tipo di altoparlante adottato nella stragrande maggioranza dei casi. Agli altoparlanti dinamici è affidata la riproduzione del suono del computer, delle casse degli impianti Hi-Fi, della colonna sonora dei film nelle sale cinematografiche, degli annunci nelle stazioni ferroviarie, come della musica prodotta nelle cuffiette dei walkman, delle radio da tavolo e dei televisori.

Un altoparlante dinamico è costituito da un cono, che nella maggior parte dei casi ancora oggi è costituito da cartone, anche se in diversi casi si usa la plastica. Al bordo esterno del cono c'è una sospensione che lo ancora ad una struttura di supporto in metallo chiamato cestello, l'altro bordo del cono è invece solidale con una bobina. La bobina è posta attorno ad una calamita (magnete permanente), che è saldata al cestello, mentre la bobina è saldata al cono ed è libera di muoversi al muoversi di questo, che viene trattenuto in sede sia dalla sospensione, sia da un apposito centratore.

I costituenti principali di un altoparlante sono il cono, la sospensione, il cestello, il magnete e la bobina. Il cono (in grigio), è di solito in cartone. Un bordo del cono è trattenuto da un anello (in magenta), che è la sua sospensione al cestello, una struttura metallica di sostegno schematizzata in blu. Dall'altra parte del cono c'è un tubo con attorno un avvolgimento elettrico (la bobina, rossa e nera). Essa è ben saldata al cono e entra in contatto posteriormente con un magnete (in verde). La sospensione è morbida e permette, quando la bobina si sposta avanti e indietro, ovvero quando tende ad andare verso il magnete o ad allontanarsi da esso, di far spostare avanti e indietro anche il cono. Il bordo esterno del cestello ha un anello piatto con i fori per fissare l'altoparlante alla cassa acustica, mediante opportune viti.

Quando la bobina viene fatta attraversare da una corrente che scorre, ad esempio, da A verso B, essa emette un campo magnetico. Se il polo posteriore di questo campo è uguale a quello anteriore della calamita, la bobina sposterà in avanti il cono, perché i due poli di segno uguale tendono a respingersi, al contrario, se la corrente viene applicata in modo inverso, da B verso A, i poli saranno opposti e il cono tenderà ad andare indietro (due poli di segno opposto tendono ad attirarsi). Ci saranno dunque delle escursioni del cono, maggiori o minori a seconda della potenza del segnale applicato (proporzionale all'intensità del campo magnetico prodotto dalla bobina) e in numero proporzionale al numero di cambiamenti di polarità della corrente applicata alla bobina.
In altre parole, se si cambia polarità della corrente alla bobina due volte al secondo, il cono si sposterà due volte al secondo, se si applica una variazione con una frequenza di 1000 Hz, iil cono si sposterà avanti e indietro 1000 volte al secondo e quindi produrrà una frequenza (udibile) di 1000 Hz. Se viene immesso un segnale con una corrente alternata a 3000 Hz, l'altoparlante riprodurrà un suono di 3000 Hz, un fischio più elevato.
Un altoparlante non è in grado di riprodurre tutte le frequenze, ci sono altoparlanti specializzati per bande di frequenza più o meno elevate, costruiti per funzionare solo nell'ambito degli ultrasuoni (ad esempio, quelli fatti per generare il segnale delle ecografie o per aprire le porte automaticamente al passaggio delle persone), altri altoparlanti costruiti per riprodurre frequenza elevate (i tweeter delle casse acustiche Hi-Fi), altoparlanti costruiti per riprodurre frequenze più basse (i woofer o i sub-woofer, altoparlanti aggiuntivi destinati a riprodurre frequenza tanto basse da non essere riprodotte dalle comuni casse), ecc.
Se viene applicata una frequenza molto elevata ad un altoparlante, le oscillazioni del cono (ad esempio, 15.000 al secondo) sono troppe perché le sospensioni e il cono riescano a stare loro dietro, andando avanti e indietro per un numero di volte così elevato: si parla di “taglio meccanico”, in quanto l'altoparlante non riesce a star dietro meccanicamente a queste frequenze.

Il segnale viene applicato alla bobina, che ha una sua resistenza. Si è detto che il segnale cambia polarità, si tratta quindi di una corrente alternata: la resistenza offerta alla corrente alternata si chiama “impedenza”. Sia la resistenza che l'impedenza si misurano in ohm, quest'ultima però varia al variare della frequenza, ad esempio, a 300 Hz può essere di 3 ohm e a 1000 Hz di 3,2 ohm. Ne consegue che le diverse frequenze possono essere rese con una potenza diversa, infatti, il valore diverso dell'impedenza ha un effetto sulla potenza: un carico che ha una resistenza elettrica maggiore disperde per definizione più energia di uno che resiste alla corrente poco o nulla, e quindi lascia integra la potenza elettrica.
E' importante che l'altoparlante “mantenga” il più possibile costante la sua impedenza al variare della frequenza. L'impedenza nominale che caratterizza un altoparlante non basta a dire se è adeguato o meno; è importante notare che le variazioni di impedenza si riferiscono ad un valore standard, quello dichiarato, e che corrisponde all'impedenza nominale. Gli altoparlanti non hanno tutti la stessa impedenza, considerazioni molto complesse suggeriscono di non uniformarla; un'impedenza bassa comporta alcuni vantaggi, alcuni sono legati all'efficienza dell'altoparlante, si è già detto che meno “resiste”, meno abbatte la potenza, e quindi, a parità di watt, produce più suono.
Un'impedenza bassa comporta anche vantaggi qualitativi, aumenta, ad esempio, il valore di smorzamento (fattore “Q”). Però, più l'impedenza è bassa, meno “carico” troviamo sull'uscita dell'amplificatore, che lavora così in condizioni sempre più critiche (abbassando l'impedenza, tende a lavorare in condizioni che vanno vicine al corto circuito, essendo bassa la resistenza interposta tra i suoi morsetti).
C'è l'usanza di mettere più casse acustiche in parallelo, fatto che comporta il dimezzamento dell'impedenza; questo vuol dire che se le casse sono da 8 ohm, si ha come risultato un carico totale di 4 ohm, se invece le casse fossero da 4 ohm ciascuna, si andrebbero a sfiorare i 2 ohm, valore troppo basso.. Ci sono pertanto vantaggi e svantaggi, oggi, la maggior parte dei sistemi di altoparlanti ad uso Hi-Fi viene studiato per avere una potenza nominale di 4 ohm, più spesso di 8 ohm, scelta che fornisce risultati meno brillanti, ma più sicuri.
L'altoparlante non è di per sè un componente che genera una potenza, ha senso pertanto parlare di “potenza di un altoparlante”? Per potenza di un altoparlante si indica qualcosa di particolare, ovvero la potenza massima che può essere applicata prima che il tutto “salti”. La bobina e lo spostamento del cono producono infatti calore, pertanto, un'escursione eccessiva del cono, dovuta ad una grande potenza, potrebbe distruggere meccanicamente il tutto: il cono si rompe, la bobina esce dal suo alloggiamento.
Un altoparlante è dunque un dispositivo elettromeccanico, molti tecnici lo considerano un dispositivo a due stadi, uno elettromeccanico e uno meccanico-acustico. Nell'altoparlante entra il segnale amplificato, il quale, agendo nella bobina immersa nel campo magnetico prodotto dalla calamita, genera uno spostamento meccanico, che viene conseguentemente impresso al cono. Il cono, a sua volta, si sposta grazie al suo montaggio su una sospensione elastica e quindi sposta l'aria, che genera il suono.
L'abbinamento corrente-bobina traduce quindi la corrente in uno spostamento meccanico e l'accoppiamento tra la bobina e il cono produce una trasformazione del movimento meccanico in suono, per questo viene chiamato stadio meccanico-acustico. Ciascuno di questi due stadi ha le proprie impedenze, la bobina è caratterizzata dall'impedenza elettrica; il cono, mosso dalla bobina, offre la sua impedenza, ed è un'impedenza meccanica, perchè “resiste” agli spostamenti che gli vengono impressi (in modo variabile) a seconda della loro frequenza.. E' del tutto immaginabile che resista in maniera differente quando gli vengono impresse ventimila spostamenti al secondo (20.000 Hz) rispetto a quando gliene vengono impressi 10.
Gli altoparlanti sono sempre avvitati al cruscotto o alle portiere dell'auto, al mobile del televisore o a quello della radio. Quando si ha a che fare con l'Hi-Fi, gli altoparlanti sono in genere posti dentro un apposito mobiletto, di legno o di plastica, chiamato “cassa acustica”. Il motivo per cui c'è bisogno di questa “cassa acustica”, o per lo meno di uno schermo attorno ai bordi del cono è questo: l'aria, al contrario dell'acqua, è comprimibile, e se in una zona dell'atmosfera, o più modestamente di una stanza, c'è una decompressione e in un'altra zona una compressione, si verifica uno spostamento d'aria verso la zona dove c'è una diminuzione di pressione.

Ecco allora che si mette attorno al bordo uno schermo che costringe l'aria a fare un cammino più lungo: nel tempo in cui l'aria compie questo cammino, il cono va dalla parte opposta, l'aria può essere richiamata indietro e questo effetto scompare. Uno schermo di dimensioni imponenti è molto scomodo, si può “ripiegare” però lo schermo su sè stesso ottenendo una cassa con un volume accettabile.

La cassa acustica non è una cassa armonica, come quella dei violini o delle chitarre, non deve amplificare il suono, è semplicemente uno schermo, le cui caratteristiche sono le seguenti:
deve essere fonoisolante, non avrebbe senso se si pensasse ad uno schermo che lascia passare il suono, ovvero le vibrazioni in controfase con il suono utile.
deve essere rigido, non può vibrare, altrimenti le pareti della cassa acustica si comporterebbero come il cono dell'altoparlante: le pareti non devono entrare in competizione col cono e non sono un surrogato di questo. Deve essere costituita di un materiale amorfo che non entri in risonanza a certe frequenze, il legno è un buon materiale, più fonoassorbente e meno risonante della plastica, mentre il truciolare dà certamente molte più garanzie del legno massello perchè è più amorfo, senza venature e nodi che potrebbero indurre a risonanze.

Per aiutare la fonoassorbenza e impedire che all'interno della cassa si creino risonanze ad esempio da onde stazionarie, si usa rivestire l'interno della cassa con un materiale assorbente, lana di vetro o lana di stracci. A volte, i pannelli di lana di vetro sono semplicemente appoggiati all'interno anzichè essere incollati alle pareti, questo comporta un grande vantaggio in quanto si offre al suono una superficie doppia (gli si offre anche la faccia che sarebbe incollata alle pareti interne), ma comporta anche uno svantaggio, la manipolazione della cassa (trasporto, spostamenti, ecc..) potrebbe far cadere in basso il foglio di lana di vetro che con il tempo potrebbe sfilacciarsi e alterare la sua disposizione all'interno della cassa stessa.
La soluzione migliore resta l'uso di pannelli piuttosto compatti ed appoggiati bene e solidamente all'interno della cassa, che costituiscono così un ostacolo alle rifrazioni e alterano la geometria troppo regolare dei parallelepipedo, che rappresenta di solito la forma della casse; molto interessanti sono i pannelli di gomma che non si sfibrano come quelli di lana di vetro. La lana di vetro, se viene montata in casse non perfettamente chiuse, potrebbe emettere nella stanza d'ascolto polvere di vetro, che è dannosa per i polmoni; si deve tenere conto che le fibre sono sottoposte continuamente all'azione meccanica delle vibrazioni dell'aria.
Le facce del cono dell'altoparlante (quella anteriore e quella posteriore) producono un suono che però è in controfase: se immaginiamo le onde sonore, mentre l'onda davanti è al suo massimo, quella dietro è al suo minimo, e così via. Questa sfasatura comporta la tendenza ad annullare il suono se si lasciano liberi i bordi degli altoparlanti, da qui l'idea di montarli su uno schermo, che, per ridurre l'ingombro, è stato ripiegato su sè stesso.
Perchè far uscire il suono da dietro, visto che è un suono prodotto dallo stesso cono che produce il suono anteriore, perchè considerarlo solo un fastidio? Si è pensato di poter “rinforzare” il suono anteriore usando quello posteriore il problema era semplicemente quello di rifasarlo, ovvero imporgli un certo ritardo, in modo che quando il cono va avanti, arrivi all'esterno anche il suono che era stato prodotto una frazione di secondo prima, quando l'altoparlante stava andando indietro.
Quando il cono va indietro, ecco che arriva sulla faccia della cassa il suono (ritardato) che era stato prodotto quando l'altoparlante andava avanti: in questo modo il suono non tende ad annullare, bensì a rinforzare, il suono stesso ! Conoscendo la velocità del suono e la sua frequenza (o meglio, scegliendo una determinata frequenza attorno alla quale si vuole rinforzare l'emissione) la cosa porta a un risultato di tutto rispetto.
E' evidente che il rinforzo va ricercato sui bassi, onde relativamente lente (con poche vibrazioni al secondo) e quindi facili da rifasare, ma su cui conviene lavorare perchè sono difficili da riprodurre in piena potenza, e sopratutto sono quelle dove si concentra gran parte dell'energia sonora del programma musicale.
Un'amplificazione delle onde basse significa dunque produrre un pogramma musicale più “amplificato” in senso generale, in effetti le casse di questo tipo (bass-reflex) sono le classiche casse efficienti che suonano a piena potenza anche con amplificatori deboli. Le bass-reflex costruite bene restano un progetto molto interessante perchè permettono anche ad amplificatori potenti di lavorare in condizioni di distorsione ottimali, senza forzature; il punto critico delle bass reflex è senza dubbio la lunghezza del cammino da far compiere al suono in modo che si rifasi esattamente.

Uno schermo disposto in un particolare modo rallenta la compensazione d'aria in modo da annullarla; nel bass-reflex questa energia non viene butatta, ma viene utilizzata per rinforzare le frequenze basse. Il suono prodotto dalla faccia posteriore del cono (opportunamente rifasato) viene emesso anteriormente e si aggiunge a quello prodotto dalla faccia anteriore del cono

Se si si ripiega lo schermo in modo che si chiuda su se stesso, ecco che lo schermo diventa “infinito”; in questo caso (cassa chiusa) non c'è alcun limite allo schermo che gira tutto attorno all'altoparlante: una cassa chiusa viene quindi chiamata “baffle infinito” o “a schermo infinito”. In una cassa chiusa l'elemento critico è senza dubbio la quantità di aria contenuta nel suo interno; ci sono naturalmente altri elementi critici (la frequenza di risonanza della cassa, il fattore di merito del sistema.) ma quello specifico di una cassa chiusa è proprio il suo volume in litri.
La massa dell'aria incide naturalmente sulla cedevolezza dell'altoparlante, sulla sua capacità di smorzamento, sull'ampiezza della escursione del cono, che sarà frenato o meno a seconda di quanta aria ha dietro. Il volume di aria ha effetti anche sulla frequenza di risonanza dell'altoparlante, perchè questa dipende da alcuni dei parametri appena citati. La risonanza di un altoparlante misurata in aria libera è diversa da quella misurata quando è montato in una cassa da 5 litri, altra ancora se l'altoparlante è montato in una cassa da 50 litri. La forma della cassa è meno critica rispetto a quella aperta, ma il volume è molto critico e va calcolato con apposite formule.