La fisica del telefono: dalle onde sonore ai segnali

Un telefono è un sistema trasduttore che converte energia acustica ↔ elettrica ↔ onde elettromagnetiche. Ecco la catena fisica:

1. Acustico → Meccanico (Microfono)

• Onde sonore (variazioni di pressione, 20 Hz–20 kHz) colpiscono un diaframma (MEMS capacitivo, elettrete, bobina dinamica o granuli di carbonio nei modelli vintage).
• Lo spostamento del diaframma x(t) è proporzionale alla pressione p(t).
• Microfono a carbonio (vintage): la resistenza R(t) varia con la compressione → modulazione di corrente.
• Elettrete/MEMS (moderno): la capacità C(t) varia → modulazione di tensione (alta impedenza, necessita buffer FET).
• Dinamico: la bobina si muove in un campo magnetico → tensione indotta v(t) = -N dΦ/dt.

2. Condizionamento del segnale elettrico

• Preamplificatore: buffer ad alta impedenza, guadagno (20–40 dB), filtro anti-aliasing.
• ADC (Conversione Analogico-Digitale): campionamento a 8 kHz (stretto), 16/24/48 kHz (largo/intero), 12–16 bit. Companding μ-law / A-law (G.711) o codec moderni (Opus, EVS, AMR-WB).
• Pacchettizzazione: frame da 20 ms → RTP/UDP/IP → Ethernet/Wi-Fi/Cellulare.

3. Mezzi di trasmissione

• Rete fissa (PSTN): Analogico: segnale baseband su coppia ritorta (CC + CA). Digitale: DS0 (64 kbps) in gerarchia TDM (T1/E1, SONET/SDH).
• Cellulare: modulazione RF (OFDMA, SC-FDMA) su spettro licenziato (600 MHz–40 GHz). Le onde EM si propagano tramite onda di terra, diffrazione, scattering, riflessione.
• VoIP: pacchetti su IP (fibra, coassiale, rame, wireless). QoS (DiffServ, MPLS) dà priorità alla voce.

4. Elettrico → Meccanico → Acustico (Ricevitore/Altoparlante)

• Ricevitore (capsula auricolare): armatura bilanciata (alta efficienza, dimensioni ridotte) o driver dinamico. Lo spostamento del diaframma ricrea l'onda di pressione.
• Vivavoce: driver dinamico (bobina mobile) in cassa con presa d'aria. Spostamento maggiore per SPL.
• Conduzione ossea: trasduttore piezo accoppiato al cranio → coclea direttamente.

5. Strato di rete (Commutazione)

• Commutazione di circuito (PSTN): timeslot dedicato 64 kbps end-to-end (segnalizzazione SS7).
• Commutazione di pacchetto (VoIP/4G/5G): multiplexing statistico, jitter buffer, PLC (concealment della perdita di pacchetti).

📐 Costanti fisiche chiave

• Velocità del suono nell'aria: 343 m/s (20°C).
• Velocità EM nella fibra: ~2×10⁸ m/s (n=1,468).
• Velocità EM nel rame: ~2×10⁸ m/s.
• Udito umano: 20 Hz–20 kHz, soglia 0 dB SPL, soglia del dolore 120 dB.
• Banda telefonica: 300–3400 Hz (stretto), 50–7000 Hz (largo), 20–20000 Hz (intero).

In sintesi: Telefono = microfono (acustico→elettrico) + codec (analogico↔digitale) + rete (commutazione/routing) + altoparlante (elettrico→acustico). Fisica: meccanica, elettromagnetismo, teoria dell'informazione, elaborazione del segnale.