ACUSTICA, PSICOACUSTICA,
TECNOLOGIE AUDIO e DINTORNI

Articolo apparso sulla rivista Sound & Lite di Marzo 2001

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

"PARAMETRI SINTETICI PER LA VALUTAZIONE DI UN IMPIANTO
AUDIO PROFESSIONALE PER IL RINFORZO DEL SUONO"
PARTE II
di Guido Noselli

Ancora una volta per esigenze dell’editore, mi accingo a scrivere queste pagine con molto anticipo rispetto all’uscita di questo numero nel Marzo 2001.

Ancora una volta pochi “feedback” pervenutimi da parte dei lettori mi sono d’aiuto, o meglio non sono un contributo sufficiente alla formulazione della proposta che è riassunta nel titolo.

A dire la verità quei pochi che mi hanno inviato un messaggio si sono detti d’accordo con le mie considerazioni e le hanno fatte proprie, ringraziandomi per essere, di fatto, divenuto con questi articoli loro “portavoce ufficiale” o una sorta d’interprete delle loro opinioni sull’argomento.

Io aggiungo però che sino ad ora ho solamente commentato ed evidenziato una prassi scorretta, l’utilizzo insensato del “watt” come criterio di valutazione di un impianto di sonorizzazione professionale, ho poi descritto un certo numero di parametri secondo i quali debba essere valutato un tale impianto, ma ancora non ho definito qual è o quali sono i parametri sintetici con i quali, a mio parere, si possa vantaggiosamente e semplicemente sostituire il “watt” nel criterio di valutazione citato.

Per farlo dobbiamo ancora analizzare brevemente, come ho annunciato in precedenza, altri due parametri di valutazione che non si possono trascurare se si vuole avere un quadro completo da “sintetizzare”. Li richiamo qui sotto per chiarezza nello stesso ordine in cui li ho a suo tempo elencati.

9.   LA COMPRESSIONE DELLA POTENZA (Power Compression)

10. LA DISTORSIONE (THD - Total Harmonic Distortion)

LA COMPRESSIONE DELLA POTENZA

Della misura di questo parametro importante, non si tratta in nessuno dei due Standard cui ho fatto riferimento. In realtà un accenno indiretto, collegabile al fenomeno della power compression viene fatto nello standard AES, in cui si dice che il costruttore deve dichiarare l’incremento della temperatura della bobina mobile e del circuito magnetico dell’altoparlante al termine delle due ore previste per la prova di tenuta in potenza, “Thermal Test Information”; nell’ IEC invece si fa riferimento ad un precondizionamento, “Preconditioning”, della durata di almeno un’ora alla potenza dichiarata dal costruttore, con l’utilizzo di un segnale di prova che simula il programma musicale; ma la norma specifica anche che, prima della misura vera e propria, il sistema va fatto riposare per almeno un’ora, allo scopo di annullare gli effetti momentanei del precondizionamento come l’incremento della temperatura. Il Preconditioning IEC ha in sostanza il compito di stabilizzare i parametri dei componenti con una sorta di collaudo prima delle misure. Nessuno dei due Standards quindi ci dà l’informazione diretta di come si comporterà il nostro sistema sul campo durante il suo utilizzo. Tutti possono notare, inoltre, che questo è un parametro la cui specifica, difficilmente, per non dire mai, è divulgata da un costruttore d’altoparlanti, o di sistemi d’altoparlanti in particolar modo professionali.

La causa di quest’omissione forse è dovuta ad un’abitudine diffusa, non solo nel campo dell’audio professionale, a causa di ragioni meramente commerciali. Non è una gran pubblicità per nessuno, infatti, dichiarare che un sistema d’altoparlanti (di qualunque marca e modello), pilotato per un periodo, anche relativamente breve (bastano pochi minuti), ad alta potenza, avrà perdite d’emissione sonora di almeno 3\4 dB (oltre il 100%) rispetto a quella che potrebbe sviluppare senza danni se questo fenomeno non avesse luogo; e nemmeno dichiarare che, intervenendo questo fenomeno, il sistema non potrà mantenere la stessa risposta in frequenza lineare per cui è stato costruito. Per non dire inoltre che la Compressione di Potenza contribuisce ad incrementare ulteriormente la già alta distorsione presente ad alti livelli sonori.

Questo fenomeno, che potremmo definire un problema di “Range” dinamico, accade agli altoparlanti o ai sistemi d’altoparlanti che funzionano in condizioni di non linearità per gli alti livelli di pilotaggio, e si verifica per l’inevitabile e fisiologico surriscaldamento delle bobine mobili dei componenti.

Tale surriscaldamento da un lato fa crescere il valore d’impedenza delle stesse bobine mobili a tal punto che l’amplificatore, vedendo un carico raddoppiato, perché l’impedenza addirittura raddoppia,

dimezza la propria potenza d’uscita, dall’altro porta l’altoparlante a produrre, come già detto, alte distorsioni. Nei sistemi multi via, in pratica tutti, questo fenomeno presenta anche l’aggravante che, essendo ogni singolo componente del sistema soggetto alla compressione a livelli differenti di potenza, la risposta in frequenza globale diventa dipendente dal livello sonoro, vanificando buona parte del lavoro di taratura avvenuto precedentemente. Ecco qui sotto due grafici, costruiti con un potente programma di simulazione e di misura LEAP/LMS, che renderanno chiaro il fenomeno. Vedi Fig. 1 e 2

Fig.1.  Risposte in frequenza della sezione bassi di un sistema pilotato a diverse potenze

  Fig.2. Risposte in frequenza della sezione bassi dello stesso sistema pilotato a diverse potenze

Le curve sono scalate in modo da confrontare direttamente le differenze sia di livello sia di banda riprodotta. Si noti come aumentano le differenze tra una curva e l’altra al variare della potenza di pilotaggio, mentre senza “Power Compression” le curve risulterebbero tutte coincidenti con quella blu presa ad 1 Watt.

  Questo fenomeno è potenzialmente inevitabile per tutti i sistemi d’amplificazione. In quelli utilizzati nella musica “live” è sempre presente per il semplice ed ovvio motivo che tali sistemi lavorano costantemente ad elevati livelli sonori e potenze di pilotaggio quindi certamente sopra la soglia di sicurezza per il contenimento a valori minimi della “Power Compression”.

Infatti, nell’esempio qui sopra appare chiaro che già con metà della potenza accettata, 200 watt, curva nera, il sistema comincia a risentire del fenomeno con consistente riduzione della banda di potenza e del livello sonoro. Credo sia chiaro ora perché i costruttori d’altoparlanti o di diffusori non ne fanno menzione nei loro data sheet.

Quest’omissione non avviene per una sorta di vera e propria malafede collettiva, ma da un lato per un’esigenza puramente commerciale come ho già detto e dall’altro per una sorta di semplificazione nel fornire le caratteristiche del sistema, perché è molto difficile, infatti “standardizzare” numericamente questo fenomeno, anche perché si differenzia da modello a modello nell’ambito della stessa marca e addirittura da banda a banda di frequenze riprodotte.

Quindi si tranquillizzino i costruttori, non sarò certamente io a chiedere questa “impossibile standardizzazione” nei loro data sheet. Ho spiegato il fenomeno e portato l’esempio qui sopra perché se ne deve tenere conto quando è necessario decidere il dimensionamento di un impianto di sonorizzazione, conoscendo il “lavoro” che esso dovrà svolgere. Anche questo parametro dunque ha un peso importante nel processo di sintesi che mi propongo in queste pagine, anzi molto importante visto che introduce un fattore numerico negativo del 50% nel rendimento complessivo del sistema.

La Power Compression, di fatto e per qualunque costruttore al mondo abbassa della metà il rendimento di un impianto (come fosse composto dalla metà dei diffusori), perché i componenti di tale impianto sono  pilotati per tempi non trascurabili al limite della potenza di targa. Tale condizione, com’è intuibile, è universalmente generalizzata per ragioni pratiche, tutte, o quasi, riconducibili a quelle economiche, come ad esempio la necessità di contenimento dello spazio occupato dal sistema di sonorizzazione durante il trasporto, che sempre obbliga all’acquisto della minore quantità possibile di diffusori e al loro inevitabile ipersfruttamento.

LA DISTORSIONE

            Questo è l’ultimo dei parametri importanti che si deve analizzare prima di avviarci alle conclusioni.

Cos’è la Distorsione?

Generalizzando è un’alterazione del segnale musicale originario; fastidiosa o addirittura non sopportabile dall’orecchio umano, se d’elevata entità. 

Per analizzarne gli effetti, al di là di quello che la stessa definizione lascia intuire, bisognerebbe descriverne dettagliatamente tutti i tipi che possono affliggere un sistema d’amplificazione. Non è certamente ora, in queste pagine, il momento adatto per farlo, anche se prima o poi ce ne sarà l’occasione. Né tanto meno mi metterò a descrivere cosa ne dicono gli Standard AES ed IEC, se non per riferire che, ai fini pratici, l’AES, che richiede la misura del dato di distorsione armonica, 2° e 3°, pilotando l’altoparlante con il 10% della potenza massima dichiarata dal costruttore, non ci fa capire cosa realmente accade al nostro sistema durante l’utilizzo ad alta potenza, mentre l’IEC essendo molto più incisivo e completo perché prevede la misura di tutti i tipi di distorsione, con l’utilizzo sia di segnale sinusoidale, sia di rumore rosa a terzi d’ottava, è, per questo parametro, lo Standard cui fare riferimento. 

Dando per scontato che nel nostro sistema di sonorizzazione, sia sempre presente un’elettronica di pilotaggio, dal mixer agli amplificatori, virtualmente esente da distorsione e correttamente dimensionata, per sfruttare la massima potenza maneggiabile dai diffusori senza danni (1), resta soprattutto da analizzare la distorsione che affligge il buon comportamento di quest’ultimi e quindi degli altoparlanti che ne sono il motore.

Ancora una volta, per fare questo dettagliatamente, bisognerebbe analizzare e descrivere numerosi tipi di distorsione, ma per le ragioni già dette mi limiterò a parlare del tipo che ora più m’interessa per completare la descrizione di quei parametri di “base” che ho sin qui brevemente analizzato:

 LA DISTORSIONE ARMONICA  TOTALE , “THD”

Qualcuno su questa scelta avrà molte obiezioni o suggerimenti, ne sono certo!

Ben vengano tali obiezioni e suggerimenti, che in ogni occasione ho sollecitato, convinto da sempre della necessità che tutti debbano partecipare e collaborare.

So perfettamente che la misura della Distorsione Armonica Totale per un diffusore non è l’unica né la migliore per valutare l’effettivo impatto sul nostro sistema uditivo delle alterazioni del segnale musicale originario. Tutti sanno che distorsioni di seconda armonica non sono così deleterie come quelle d’ordine superiore, la terza ad esempio. Quindi non distinguere il tipo di distorsione presente in un sistema di sonorizzazione pilotato ad alta potenza potrebbe sembrare limitativo e probabilmente lo è.

In questo frangente comunque ritengo utile parlare di questo tipo per due ragioni: la prima perché, non essendo lo scopo di questo articolo stabilire se una misura di distorsione è meglio dell’altra, ma semplicemente quello di evidenziare che, nella valutazione delle prestazioni di un sistema di amplificazione, essa ha un peso non trascurabile; la seconda perché esiste, nel mondo dell’amplificazione professionale, un precedente illustre e d’attualità, molto seguito e molto diffuso, anche al di là dell’oceano, che mi permette di presentare al lettore una dimostrazione chiara degli effetti negativi che la distorsione produce. Il fautore di tale precedente, è un ingegnere tedesco, “free lance”, certo Anselm Goertz.

Egli, oltre a collaborare con nomi storici come il prof. Anhert, progettista di “EASE”, il più diffuso dei programmi di simulazione audio, esegue da anni misurazioni complete su sistemi professionali d’amplificazione sonora per conto di una rivista tedesca, Produktion Partner, la sola che, allo stato attuale mi risulta, pubblichi prove del genere. Ebbene l’ing. Goertz ha sviluppato, tra l’altro, oltre ad un ottimo sistema di misura della dispersione dei diffusori e soprattutto della sua ben leggibile rappresentazione grafica, un buon metodo di misura della THD e quindi anche della sua rappresentazione (credo unica, per ora, nel settore dell’audio professionale), basata sull’utilizzo di un generatore sinusoidale e di un analizzatore di spettro FFT. (2)

Senza entrare nel merito del metodo e della validità della misura, il grafico fornito è perfettamente adeguato alla nostra esigenza di sintesi ed è leggibile molto semplicemente anche per chi non è addentro alla materia. Esso si riferisce alla risposta in frequenza per terzi d’ottave che il sistema completo in prova, amplificazione compresa (dal crossover attivo al diffusore), misurato ad una distanza “farfield” (6/8 m)  presenta con il 3% di THD e con il valore della massima distorsione che si è stabilito ragionevolmente di accettare in sistemi professionali pilotati ad alta potenza, il 10%. In altre parole si pilota il diffusore con il valore di tensione che gli faccia raggiungere, per ogni frequenza, il massimo livello sonoro senza che sia superato prima il 3% e poi il 10% di Distorsione Armonica Totale, e si traccia il grafico a terzi d’ottave, normalizzandone il livello alla distanza di riferimento, il solito metro, così che si rappresenta il Max SPL ottenibile dal sistema in prova senza il superamento della distorsione prefissata per l’intera banda audio. Vedi fig. 3.

Fig.3. Risposte di Max SPL a terzi d’ottava in 4p (free field) di un sistema a larga banda per distorsioni del 3% e  del 10% (curva verde). Grafico riportato dalla rivista tedesca Produktion Partner.

La linea verde corrisponde alla banda di frequenza riprodotta con il massimo di distorsione accettabile secondo la valutazione decisa dall’Ing. Goertz. In realtà il tetto di distorsione massima al 10%, come limite di accettabilità è certamente valido per la maggior parte della banda audio, mentre a frequenza via via più bassa tale limite è difficilmente contenibile salvo dimensionamenti mostruosi della sezione subwoofer. Se si guarda il grafico infatti si nota come con il 10% di distorsione a 50 Hz ci sono 10 dB in meno del livello medio presente nella parte centrale della banda audio, quella che contribuisce maggiormente alla sensazione sonora.

Per compensarli bisognerebbe decuplicare la sezione sub!

In pratica questo non si fa perché, più le frequenze riprodotte sono basse, meno l’orecchio umano avverte “il peso” della distorsione, e quindi distorsioni del 30%, ed oltre, a tali frequenze sono in pratica poco riconoscibili. Per fortuna, questo consente un dimensionamento ragionevole della sezione subwoofer (o bassi a seconda del numero di vie in cui è diviso il nostro ipotetico sistema). Un rapporto 1/1 con la potenza  a disposizione per la parte restante della banda, se non è possibile consentirsi di più, è già sufficiente anche e soprattutto se si considera che l’appoggio a terra della sezione sub, posizione per questa ragione irrinunciabile, ci regala ancora 3 dB.

Analogo discorso va fatto per la sezione alti del sistema che è afflitta dagli stessi problemi di dimensionamento. In questo caso, però, una distorsione superiore al 10% è ben più avvertibile ed inoltre non ci viene in aiuto il posizionamento come accade  per la sezione sub/bassi. C’è da dire, comunque, che è naturale per l’orecchio avvertire un calo di livello progressivo e dolce delle frequenze medio alte, se é contenuto e proporzionale alla distanza di ascolto, perché in questa banda, centrata intorno a 3500 Hz, è posta la sua massima sensibilità.

Molto spesso, quindi, la mancanza di questo “calo naturale”, a causa di una taratura scorretta del sistema, o della presenza esagerata di queste frequenze, genera fatica d’ascolto e addirittura fastidio, quando anche è presente un sovraccarico di potenza, seppure minimo,  dei componenti che generalmente vengono impiegati per riprodurle tali frequenze come Trombe e rispettivi Driver a compressione.

Non va dimenticato, in ogni caso, che maggiore sarà il dimensionamento dell’impianto, dal punto di vista del numero di diffusori, e più alto sarà il livello ottenibile con bassa distorsione.

Esaurita questa breve analisi, spero sufficiente a chiarire quali sono i parametri più importanti che condizionano le prestazioni di un impianto di sonorizzazione professionale,  giova qui ripetere la domanda che l’ha generata:

Vediamo come quello che abbiamo appreso sin qui ci servirà a dare una risposta convincente.

Per farlo è necessario, prima di tutto chiarire cosa s’intende per  “adeguatamente”.

Può sembrare retorica ricordarlo, ma purtroppo troppo spesso in tanti show, di cantanti o gruppi, tra quelli più famosi soprattutto, ho visto privilegiare gli aspetti spettacolari e “pirotecnici” dello spettacolo, per trascurare in modo vergognoso la qualità della performance, al punto da privare gli spettatori di ogni possibilità di comprensione del messaggio musicale, per non dire di peggio, pur essendo essa la ragione primaria per cui lo spettacolo stesso viene allestito.

            Certo siamo nell’era dell’immagine e dell’esibizionismo che ne deriva, ma accidenti!

C’è un altro aspetto che non può essere trascurato per definire l’adeguatezza dell’impianto di sonorizzazione. Esso riguarda il suo dimensionamento in base al genere musicale che dovrà riprodurre.

Va da sè che riprodurre musica classica o jazz piuttosto che musica pop, rock o heavy metal, comporta esigenze completamente diverse, nel senso che bande differenti di frequenze per ogni genere diverso saranno più o meno intensamente e densamente eccitate con la conseguenza pratica che un impianto dimensionato per il “pop” ad esempio non potrà essere sufficiente per riprodurre al giusto livello sonoro il genere “disco” ecc. (3)

Detto questo, non rimane che concludere, rispondendo alla domanda che naturalmente scaturisce dalla definizione più sopra enunciata:

Credo che la risposta ormai affiori alle labbra di tutti coloro che hanno avuto la pazienza di leggere sin qui. E credo anche che tutti ormai si siano resi conto dell’insensatezza dell’utilizzo del “watt” a tale scopo.

Ecco quindi in sintesi cosa è indispensabile conoscere del nostro impianto:

I “watt”, stavolta per citarli a proposito, saranno quelli che gli amplificatori di potenza del nostro sistema di sonorizzazione dovranno erogare per l’ottenimento delle prestazioni desiderate (1).

In conclusione, all’insensata richiesta di un impianto da 10'000 watt, che si legge ad esempio sui classici “rider” si potrebbe sostituire dunque molto più opportunamente e correttamente:

Questa è la mia proposta!

Naturalmente questo tipo di caratterizzazione quantitativa dovrà essere uniformato per tutti agli stessi standard o comunque alla medesima metodologia di valutazione. Per questo ho voluto dare prima una veloce panoramica dei parametri che devono essere rispettati in questa formulazione sintetica.

L’argomento comunque non è ancora esaurito, anzi molte sono le cose che è necessario per completezza precisare. Purtroppo in questo numero ho occupato più spazio di quanto dovessi e quindi lo farò nei prossimi a seguire.

Riferimenti e note.

(1) Per capirne di più sul dimensionamento potrete leggere una mia breve nota tecnica "Quegli sporchi maledetti watts", pubblicato su ZioShow.it

(2) È doveroso ricordare da parte mia, che un approccio simile per molti aspetti a tutta la “problematica” riguardante la distorsione dei sistemi d’altoparlanti è stato molto prima affrontato e risolto già dal 1981, inizialmente con l’introduzione della cosiddetta PIM, Potenza Istantanea Massima, da parte dello I.A.F., Istituto Alta Fedeltà facente capo alla famosa rivista SUONO.

Ma bisogna soprattutto ricordare che un paio d’anni dopo, nel 1983, un gruppo di lavoro sempre Italiano facente capo ad Audio Review, un’altra notissima rivista del settore Hi-Fi, composto da Bo Arnklit, Renato Giussani, Paolo Nuti, introdusse la MIL e la MOL,  Livello Massimo d’Ingresso e Livello Massimo d’Uscita dei sistemi d’altoparlanti, due modalità di misura del livello con rappresentazione a terzi d’ottava in funzione di una data distorsione, che anticipavano di molti anni quanto adesso in misura minore e più semplificata ci propone l’ing. Goertz e Produktion Partner.

Recentemente nel Novembre 2000, poi, sulla stessa Audio Review è apparsa, a firma Montanucci, la descrizione di una nuova modalità di misura che riprendendo parzialmente quelle precedenti è ancora più attuale e certamente più adatta a rappresentare il reale comportamento dei diffusori ad alta potenza; la metodologia si riferisce alla Misura di distorsione in regime dinamico degli altoparlanti o dei diffusori pilotati a valori di potenza in condizioni reali di utilizzo del sistema. 

Un altro caso, purtroppo, per cui posso affermare ”Nemo Profeta in Patria” anche se stavolta non si tratta d’esterofilia, ma soltanto dell’obbiettiva difficoltà nel settore professionale in Italia, che non è fatto di grandi numeri e fatturati, di far nascere una struttura tecnica libera, affiancata ad una rivista di settore, capace di eseguire costose misure come quelle citate. Dobbiamo accontentarci quindi, per il momento, di quello che “passa il convento”, in attesa di qualche reazione da chi potrebbe trovare interesse a cambiare in meglio le cose.

(3) Ho già parlato di questo argomento sul numero 14 di S&L del Dicembre ‘98, al quale rimando per ulteriore informazione.