ACUSTICA, PSICOACUSTICA,
TECNOLOGIE AUDIO e DINTORNI

Articolo apparso sulla rivista Sound & Lite di Marzo 2000

di Guido Noselli (fax 030/3580431 - posta elettronica guidonoselli@outline.it)

Esauriti, per il momento, i suggerimenti rispetto all’uso pratico dei microfoni di ripresa, da questo numero di Sound & Light, era mia intenzione iniziare una semplice trattazione del secondo anello base di una catena audio: l’elettronica d’amplificazione (ma anche quella di correzione).

In altre parole l’anello che sta tra il trasduttore di ripresa del suono, il microfono e quello di riproduzione del suono, l’altoparlante; o se preferite “dal mixer agli amplificatori di potenza”.

Non intendo certamente sottrarmi a questo compito, ma per questa volta ho deciso di soprassedere, di comune accordo con il direttore Morelli, per affrontare in anticipo un argomento che in questo periodo sembra interessare molto i lettori del giornale: prestazioni ed utilizzo nei concerti in generale, dei sistemi di diffusori nella cosiddetta configurazione in “line array”.
Lo spunto mi è fornito da un recentissimo articolo apparso sull’autorevole rivista nord americana “Live Sound International”, numero d’ottobre/novembre 1999, rivista parecchio diffusa in tutto il mondo tra gli operatori del Sound Reinforcement, e del PA in genere.

“Dal Public Address (PA) al Sound Reinforcement (SR)”

L’articolo a firma Czerwinski, fondatore della famosa Cerwin-Vega, è di quelli che certamente faranno discutere di un argomento tanto “antico”, il funzionamento dei “line array” (infatti, è tale ed è stato abbondantemente illustrato, sin dagli albori, su tutti i libri d’acustica), quanto moderno, perché, in tempi recenti, si è imposto all’attenzione degli operatori, grazie ad alcuni prodotti di successo, costruiti per un utilizzo specifico, strettamente legato a tale tipo di configurazione.

Il divulgativo articolo apparso su “Live”, la cui lettura è alquanto facile ed immediata, segue e deriva in realtà da un lavoro ben più importante e scientificamente approfondito apparso sul numero di Giugno 1999 del Journal AES, a nome Czerwinski, Voishvillo, Alexandrov e Terekhov, dal titolo “Air–Related Harmonic and Intermodulation Distortion in Large Sound Systems” (Distorsione armonica e d’intermodulazione connessa alla propagazione del suono nell’aria nei sistemi d’amplificazione e rinforzo del suono di grandi dimensioni), che ovviamente suggerisco di leggere ai più preparati.

Cosa afferma Czerwinski su Live?

Cercherò di farne la miglior traduzione possibile, non tralasciando gli aspetti sagaci ed ironici del testo ed anche di aggiungere eventuali mie considerazioni personali, visto che in questa rubrica mi trovo ad essere il padrone di casa.

L’articolo si apre con la constatazione, un po’ amara, riferita al fatto indiscusso che il giorno d’oggi, in un concerto, la pressione sonora ha raggiunto proporzioni mostruose.

Qualcuno potrebbe pensare che questo è un progresso e chi ascolta potrà ascoltare un dettaglio a 140 dB SPL, ma, (e qui sta l’amarezza) troppo spesso con la stessa qualità del primo fonografo d’Edison. La tecnologia è continuamente migliorata, ma purtroppo la sua applicazione è spesso sbagliata. Viviamo in un periodo nel quale la gente conosce l’ultima parola su tutto senza conoscere la prima parola su niente.

Per soddisfare la domanda di pressione sonora, il giorno d’oggi, i progettisti dei sistemi d’amplificazione per concerto o i cosiddetti Sound Reinforcement Engineers, aumentano spropositatamente il numero di casse acustiche, al punto da peggiorare sempre di più la qualità sonora. Chi compra rimane sorpreso da termini come "cluster" e si delizia di parole come "array", ma in cuor nostro, osservando le bibliche "torri acustiche" di molti "services", non senza un po’ di sadico compiacimento pensiamo: "Che razza di sorpresa sarebbe .. .. ..  per colui che diventasse sordo".

Quello che non è detto al pubblico e di cui probabilmente anche i fabbricanti non hanno consapevolezza, consiste nel fatto che clusters di casse acustiche estesi in larghezza danneggiano la qualità del suono.

Qual è lo scopo e la funzione di un sistema di rinforzo del suono si domanda Czerwinski?

I tre scopi principali, secondo un libro molto diffuso anche in Italia “Sound Reinforcement Handbook”, Hal Leonard Pubblications,  sono:

1)    ottenere che la gente senta meglio,

2)    che il suono abbia un livello più alto,

3)    che anche la gente possa sentire sufficientemente anche lontano.

In realtà, afferma l’autore, un sistema di rinforzo del suono ha la funzione di riprodurre o migliorare, se possibile, un evento sonoro dal vivo.

Questi presupposti sono da sempre uno standard assoluto che purtroppo è stato largamente dimenticato, perché gli ingegneri del suono premono per SPL più elevati ed i costruttori manovrano per vendere una maggiore quantità di diffusori.

Gli stessi scopi citati sono validi, con un po’ d’immaginazione, per un sistema d’amplificazione essenzialmente del parlato, il cosiddetto “Public Address”, ma non sono per niente sufficienti ad esaurire le necessità ben più elevate di un sistema di “Sound Reinforcement”.

Il vero SR, infatti, deve essere acusticamente invisibile; cioè deve amplificare la sorgente sonora originale senza alcuna alterazione o distorsione, con la minima o nulla colorazione del suono.

Utilizzando i metodi il giorno d’oggi diffusi, raramente ha luogo un vero rinforzo del suono che rispetti le esigenze elencate.

Noi contestiamo, al di là di poche eccezioni, che i migliori e più moderni sistemi d’amplificazione possano essere niente di più che gloriosi sistemi PA a due canali.

Il risultato, anche nei casi più ideali, è che un sistema del genere non riproduce un'immagine stereofonica naturale. 

Con questo comune e tradizionale approccio anche il migliore e più potente sistema di SR ad alta fedeltà mai potrà suonare tanto bene quanto un sistema Hi-Fi di massa in un classico e acusticamente decente soggiorno di casa.

Come già detto ciò che la gente comunemente chiama SR in realtà non è altro che un semplice sistema PA a due canali, con tutti i difetti intrinseci a qualsiasi PA, tra i quali:

1)   i diffusori sono piuttosto lontani dalla sorgente sonora,

2)   gli stessi, pur riproducendo differenti bande di frequenze sono molto vicini tra loro con le gravi interferenze che ne derivano.

I più comuni PA di grandi dimensioni impiegano “clusters” (grappoli) o “arrays” (spiegamento) di diffusori multibanda
(vedi figura 1).

Senza alcuna sorpresa quanto nella fig.1 è la peggiore delle configurazioni possibili. Per leggi di fisica non eludibili, un sistema di SR con questa configurazione non può suonare forte senza introdurre orrende distorsioni.

La cosa buffa circa questi “arrays” per PA, consiste nel fatto che essi tendono ad occupare uno spazio limitato, usando diffusori multibanda, per riprodurre più bande di frequenza.

Questo causa una miriade di problemi persino con due soli diffusori. Problemi di fase tra componenti, separati da una distanza più grande della dimensione della lunghezza d’onda, causano grandi variazioni nella risposta in frequenza fuori asse.

A soli 5 gradi fuori asse si verifica un terribile degrado nella risposta, particolarmente nella critica banda delle frequenze medio-alte. Le cancellazioni di fase che si generano in una configurazione in “cluster” di diffusori multibanda, provocano buchi ed alterazioni alle medie e alte frequenze con ampiezza da 15 a 20 dB.

Non migliora certamente la situazione se i diffusori multibanda nei "clusters" sono disposti a semicerchio per ridurre le interferenze. Per quanto aperti possano essere, la gamma medio - alta non potrà non esserne affetta. (Vedi figura 2).

Questa “somma distruttiva” del suono alle frequenze medio alte spiega perché, in molti sistemi da concerto, i diffusori per le frequenze medio-alte sono numericamente in rapporto addirittura di cinque a uno rispetto ai diffusori dedicati alle basse frequenze.

In uno studio di Gander e Eargle (87th Convention AES, New York 1989), dal titolo “Measurement and Estimation of Large Loudspeaker Array Performance”, sta scritto:

“La combinazione delle perdite alle frequenze alte, dovuta alle cancellazioni di fase e l’esaltazione delle basse frequenze dovuta al mutuo accoppiamento e all’incremento di direttività, provoca una risposta generale squilibrata, anche se ogni singolo elemento nel sistema è regolato per una risposta perfettamente piatta in asse. In generale, la risposta decade approssimativamente di 6 dB per decade.

E ancora:” ..come si è visto vi possono essere nella risposta in frequenza squilibri anche di 15/20 dB, persino in array di dimensioni limitate.

Questo suggerisce un ripensamento della filosofia di base nella progettazione di sistemi SR e mette in evidenza che per bilanciare la risposta è necessario avere una maggiore quantità di sistemi per le frequenze alte, oppure, ragionando in altro modo, si arriva alla conclusione che è più facile abbassare il livello dei woofers che alzare il livello dei tweeters”

Quest’ultima affermazione - continua Czerwinski - è in contrasto con uno degli scopi di un SR ideale. Abbassare il livello corrisponde infatti a perdere "audience". In ogni modo è dimostrato che, pur non avendo una risposta piatta con due o più diffusori multibanda fuori asse o in asse, l’alterazione della risposta è certamente minore in quest’ultima condizione.

Questo significa che il suono subisce un progressivo degrado per ogni ascoltatore che non si trova nella posizione in asse, di fronte ad una colonna verticale del SR. 

E non è certo possibile accomodare tutti gli spettatori uno sopra la testa dell’altro in modo che si trovino in asse alla colonna verticale del SR.

In conclusione, una configurazione classica a “cluster” composto di diffusori multibanda, per sua intrinseca natura, porta a cattivi risultati sonori.

Un efficace miglioramento rispetto alla classica configurazione in “cluster array”, è un particolare tipo di “array” di diffusori, corrispondente ad una linea di suono verticale o “vertical line array”, configurazione il giorno d’oggi sempre più proposta da molti fabbricanti di diffusori e sempre più utilizzata nei concerti (vedi figura 3).

L’equilibrio tonale in questo caso è pressoché piatto ed il suono è certamente coerente se comparato alla configurazione a "cluster" tradizionale descritta più sopra, che si è visto è affetta anche da 20 dB di perdita delle frequenze alte, per interferenze tra i diffusori.

Un sistema di “vertical line array” dunque è senz’altro un passo avanti nella qualità, ma i diffusori multibanda, anche in questa configurazione, sono lo stesso vicini tra loro, occupando un'area limitata e generando un'alta pressione sonora in uno spazio d'aria limitato.

Questa condizione diviene causa di un fenomeno negativo chiamato “Distorsione di propagazione del suono nell’aria”.

Paradossalmente, anche se la gente non è a conoscenza di questo tipo di distorsione, essa è la più grande fonte di problemi e di riduzione della qualità di riproduzione in sistemi di SR di grandi dimensioni.

Anche la configurazione in "line array" verticale, nonostante mostri una migliore risposta in frequenza fuori asse, quindi, non consente una riproduzione sonora realistica e naturale e, con i classici due canali utilizzati generalmente nei concerti, è paragonabile sostanzialmente ad un sistema Hi-Fi "decapitato". Non solo infatti il sistema d'amplificazione è posto lontano dalle sorgenti del suono, ma i diffusori multibanda che riproducono differenti bande di frequenza sono ancora vicini tra loro come nella configurazione a “cluster array”, occupando un'area limitata e generando una grande pressione sonora in uno spazio d'aria limitato o “air conduit” (condotto d’aria).

Anche se le anomalie di fase orizzontali sono ridotte in una configurazione in “line array verticale” la quasi sconosciuta e sottovalutata “distorsione per propagazione nell’aria” distrugge la qualità anche del più bel sistema d'amplificazione che sia composto di diffusori ad alta pressione sonora (High SPL) strettamente accoppiati.

Questo tipo di distorsione è un fenomeno che degrada le prestazioni nei PA arrays tradizionali.

E’ una distorsione provocata dalla propagazione delle onde sonore ad un livello SPL molto elevato, come avviene anche per i sistemi da concerto.

Studi molto accurati hanno dimostrato che le onde sonore di bande di frequenza multiple condividenti lo stesso “condotto d'aria” generano distorsione armonica e d’intermodulazione.

La velocità del suono varia con la pressione dell’aria: più alta è la pressione, più veloce è la propagazione del suono, e quindi livelli SPL diversi in bande di frequenze diverse, presenti quando esistono interferenze tra diffusori vicini, provocano alterazioni di propagazione del suono che Czerwinski ha definito ironicamente “molestation distortion” anziché più appropriatamente “modulation distortion”. Comunque si chiami è una distorsione fastidiosa e caratterizzata dalla sua tipica "non musicalità".

Questo significa che il suono diventa progressivamente distorto mentre attraversa l’aria dal SR, e arriva all’ascoltatore; in particolar modo quando il suono condivide lo stesso “condotto d’aria” come avviene nei sistemi qui descritti.
La “modulation distortion” è uno dei principali motivi di grossa colorazione del suono a livelli SPL elevati.

Tutto questo è stato da noi illustrato in numerose occasioni, ricorda Czerwinski, sia presso l'ASA, Acoustical Society of America durante il centotrentaquattresimo (134) meeting, sia presso tre conferenze dell'AES, Audio Engineering Society, ottenendo i consensi unanimi dei consulenti e degli studiosi.

I fabbricanti di diffusori hanno invece storto la bocca al pensiero che i loro prodotti ad alta pressione sonora, coassiali, a banda multipla, con emissione coerente, siano definiti come generatori di massiccia distorsione.

Attualmente, il solo sistema praticabile per superare il problema della "Modulation Distortion" in sistemi di SR ad alto livello SPL, consiste nella separazione degli altoparlanti, in modo da prevenire l'aumento delle onde sonore ad alta pressione che si propagano nel comune "condotto d'aria". Separando i singoli, o i gruppi di componenti specifici per ogni banda, la distorsione relativa alla propagazione in aria delle frequenze medio-alte si riduce drasticamente anche ad alti livelli SPL.

Gruppi d'altoparlanti o componenti che riproducono la stessa banda audio, possono, infatti, essere strettamente accoppiati ed allineati uno sopra l'altro con incremento del livello sonoro e della direttività verticale; due requisiti assolutamente essenziali per ottenere un buon suono in un ambiente magari caratterizzato da un'alta riverberazione.

Un sistema del genere, definito "Articulated Line Array", consente la variazione della sua direttività verticale posizionando i vari elementi con la necessaria geometria o anche semplicemente utilizzando linee di ritardo elettroniche (vedi figura 4).

Questa versatilità lo rende capace di sonorizzare anche ambienti dalle caratteristiche acustiche pessime, dove per altre configurazioni non è dato ottenere buoni risultati. Posizionando ogni gruppo di specifici componenti, che riproducono la stessa banda, ad una distanza di sicurezza tra loro, il suono da questi proveniente, per separate bande di frequenze, non interagirà all'interno del "condotto d'aria", con drastica conseguente riduzione della "Modulation Distortion".

I suoni prodotti in differenti bande di frequenza si mescoleranno tra loro a distanze più grandi, rispetto a quanto avviene negli "array" convenzionali.

Poiché, come è noto, la pressione sonora (SPL) decresce con la distanza, la "Modulation Distortion", dipendente dalla pressione sonora, viene così minimizzata.

Fin qui Czerwinski ci fornisce una logica spiegazione di come risolvere il problema della "Modulation Distortion",  distorsione tanto fastidiosa ad alto livello sonoro, attraverso l'impiego di sistemi "vertical line array" con componenti fisicamente accoppiati per specifiche bande di frequenza;

ma come risolvere il problema della riproduzione naturale dell'immagine sonora per un vasto pubblico?

La proposta è molto interessante ed è di quelle da non sottovalutare, a mio parere, anche perché non ha sinora trovato applicazione, per quanto a mia conoscenza, nella realizzazione di sonorizzazioni "live" di vaste aree ad alto livello sonoro, con l'eccezione di un caso di cui più avanti riferirò.

Essa consiste nell'impiego di numerosi "Vertical Articulated Line Arrays" ditribuiti in una configurazione multicanale.

In altre parole un sistema distribuito a più canali di amplificazione separati, nel quale ogni canale viene amplificato da un singolo "Vertical Articulated Line Array", che sarà così chiamato a riprodurre, con la gittata e la dispersione di cui dispone, il programma scelto dal "Sound Engineer" al mixer principale FOH, fronte palco.

Una configurazione del genere, afferma Czerwinski, rappresenta un grande passo in avanti per raggiungere e forse superare le prestazioni che un vero sistema di SR deve per definizione possedere, come ampiamente descritto più sopra.

Inoltre, l'impiego e la disposizione distribuita dei diffusori, dedicati per bande di frequenza, produce grande riduzione della distorsione, non solo perché ad ogni canale di sonorizzazione viene applicato un segnale diverso già dall'origine, ma anche perché, trovandosi ogni canale ad amplificare, seppure ad alto livello SPL, segnali appunto diversi, sarà minima l'interferenza distruttiva tra differenti bande di frequenza nello stesso "condotto o corridoio d'aria".

La resa dell'immagine sonora, e la collocazione spaziale delle sorgenti, inoltre, trarrà grandi vantaggi da un sistema del genere rispetto ad un tradizionale due canali, anche con l'eventuale impiego di linee di ritardo separate per ogni canale.

Un esempio pratico di quanto sopra si vede in un disegno che rappresenta uno dei tanti esperimenti eseguiti in occasione di concerti live(vedi figura 5).

In questo caso, al chiuso, viene amplificata un'orchestra Jazz, composta di una ventina di elementi, con strumenti che vanno dal pianoforte alle trombe e ai flauti, attraverso otto canali discreti di diffusori specifici, posti frontalmente adiacenti al palcoscenico, con il risultato di una diffusione sonora uniformemente distribuita a bassissima distorsione ed ad alto SPL, come si evince dai dati dei livelli sonori misurati e riportati sul disegno.

I vantaggi di una tale configurazione si riassumono in una serie di vantaggi aggiuntivi rispetto ad un'altra tradizionale.

Il più puro e perfetto degli esempi di un sistema distribuito multicanale, spinto agli estremi, dovrebbe riprodurre per numero di elementi, il numero dei componenti il gruppo che si esibisce, così che ognuno di questi, strumenti voci o batteria, sarebbe rimpiazzato (o aumentato di) da un proprio esatto "clone" con almeno 20 dB (100 volte) in più di livello sonoro senza distorsione.

Il gruppo produrrebbe un livello SPL almeno cento volte più alto, dal vivo o in "playback", con gran naturalezza.

Questo concetto è stato già applicato, con mezzi oggi forse un po’ superati per qualità e prestazioni, da un mitico e famoso gruppo rock, The Grateful Dead; veri pionieri della "clonazione multicanale" con il mitico" Wall of Sound" (così era chiamato il SR).

Ogni musicista aveva un proprio sistema di amplificazione che occupava una precisa area del palco e quindi un determinato "condotto d'aria o corridoio verso il pubblico"; di fatto, il sistema SR dei Grateful Dead era un'applicazione di un un sistema a "Distribute Line Array" (linee di suono distribuite) che dette loro gran successo, e molti fans a seguito, in tutti i loro spostamenti, per il grande e "sensuale" impatto sonoro.

Il sistema non era costituito dai due classici "PA Clusters" ai lati del palcoscenico, ma ogni strumento aveva il proprio "Vertical Line Array" con segnale separato da tutti gli altri. (Vedi figura 6 ).

  Fig. 6 - "Wall of sound" , Grateful Dead group Sound System

Oggi, la tecnologia e la ricerca hanno grandemente migliorato le prestazioni e le caratteristiche dei singoli componenti, rendendo possibile o addirittura facile quello che, guardando alla figura del sistema di amplificazione utilizzato dallo storico gruppo americano, potrebbe apparire troppo complicato e improponibile. Non è più necessario realizzare letteralmente il "muro del suono" di allora; basta molto meno purchè possieda le caratteristiche appropriate.

Non si tratterebbe, infatti, di doversi cimentare nella difficile e frustrante costruzione di diffusori multialtoparlanti dedicati ai singoli strumenti - così come chiaramente dovettero fare i progettisti del sistema citato - ma semplicemente di preassemblare, all'inizio del tour, elementi modulari attivi in diffusori capaci di contenerne la quantità necessaria alle prestazioni che ad ogni singolo "Vertical Articulated Line Array" sono richieste. Personalmente non mi sento di parteggiare per la soluzione qui descritta "toutcourt". Ogni situazione può richiedere varianti diverse di sistemi di sonorizzazione, anche più d'una contemporaneamente. A riprova di questa mia convinzione, mi permetto di ricordare, non senza una punta di amarezza perché una volta di più vale il motto "nemo profeta in patria", che già dal lontano '92 Outline immette nel mercato sistemi facilmente configurabili in classici array "Point Source" in "semplici Line Array Verticali", oggi spesso utilizzati nei grandi concerti, o addirittura, già da allora, in "Vertical Articulated Line Array", come forse nel prossimo futuro potrebbe essere richiesto.  

Nei disegni sono esemplificate configurazioni possibili, anche originali e realizzabili con gran semplicità, ognuna con le proprie caratteristiche, da "negative ad ottimali" secondo il giudizio del PA Engineer, impiegando alcuni dei prodotti Outline citati (vedi figure dalla 7 alla 10).

Certo, ad un "profano" o ad un "pigro" tutta questa versatilità potrebbe far paura e sembrare eccessiva oltre che onerosa, per diverse ragioni, giacché soprattutto nel mercato dei "grandi tour" in Italia, proprio per quelli che necessiterebbero di queste soluzioni tecnicamente spinte, i mezzi economici messi a disposizione per il SR sono sempre troppo scarsi.

Ma se non si vogliono ottenere troppo spesso altrettanto scarsi risultati qualitativi, quando i sistemi SR sono di grandi dimensioni e di elevata potenza, è giocoforza adottare tutte le soluzioni valide, presenti o passate, che la moderna tecnologia consente di sfruttare pienamente.

L'argomento esposto in queste pagine, che ha come progenitore un testimonial di tutto rispetto come il grande Czerwinski, vuole essere una informazione aggiornata oltre che una "provocazione seria" o una "sfida" a tutti coloro che si occupano con qualche velleità di SR; niente di più.

Ovviamente ci sarebbe molto ancora da approfondire in merito alle numerose varianti possibili, consentite dalla corretta applicazione di tutti quei concetti di acustica che stanno alla base di questo tipo di configurazioni complesse.

Tali approfondimenti sono patrimonio prezioso delle singole professionalità ed appartengono alla sfera "privata" delle persone e/o delle aziende in cui queste si esprimono, ma diventano ovviamente disponibili ed indispensabili per coloro che devono concretamente realizzare le ipotesi esposte.

Per finire: non me ne voglia il lettore o il concorrente per la citazione e l'utilizzo di disegni raffiguranti prodotti Outline, perché essi sono i soli a mia disposizione con i quali realizzare esempi chiarificatori. E' ovvio che anche altri tipi di diffusori di altra marca, concettualmente simili, possano essere utilizzati in tali configurazioni.