ACUSTICA, PSICOACUSTICA,
TECNOLOGIE AUDIO e DINTORNI

Articolo pubblicato sulla rivista Sound & Lite
di Novembre 2003 e sul portale ZioGiorgio.it

IMPIEGO E "SETTAGGIO" DI UN SISTEMA 
DI SONORIZZAZIONE PROFESSIONALE  
- frequenze basse -

Come anticipato nella precedente “puntata”, ci sono situazioni sempre più frequenti, nelle quali è indispensabile o raccomandabile che la sonorizzazione ad alto livello sonoro rimanga il più possibile “confinata” negli spazi assegnati all’audience; o meglio possiamo affermare che in molti eventi è richiesto un servizio di sonorizzazione più rispettoso delle leggi antinquinamento vigenti. Questa è una delle ragioni, anche se non la più importante, che ha contribuito all’affermazione negli ultimi anni dei moderni “Vertical Line Array”, come sistemi di sonorizzazione sospesi per grandi spazi e grandi eventi, sia all’aperto sia al chiuso. La tendenza anzi sembra andare nella direzione d’utilizzo di tali sistemi, in scala ridotta, anche per eventi minori e spazi non necessariamente grandi.

Il giusto complemento in gamma bassa di questi sistemi, che, per la loro geometria, si comportano come sorgenti direttive ben controllabili dal punto di vista della dispersione necessaria a sonorizzare il solo spazio dedicato all’audience, sono i cosidetti sistemi di riproduzione delle basse frequenze con dispersione “cardioide”. Il termine è mutuato dal mondo dei microfoni, in particolare da un tipo, in assoluto il più diffuso, proprio per la sua caratteristica d’insensibilità ai suoni provenienti posteriormente rispetto alla direzione di ripresa. Senza entrare nel merito del “meccanismo” che è alla base di questo funzionamento, essendo l’altoparlante il reciproco del microfono perché si basa sugli stessi principi d’acustica, anche se quanto a dimensione è costruito per emettere il suono non per riprenderlo, la definizione di “cardioide” è perfetta per descriverne una particolare figura di dispersione, vale a dire quella che analogamente al microfono ma con effetto opposto, evidenzia la mancanza d’emissione posteriore del diffusore.  

Per chi non lo sapesse l’aggettivo “cardioide”, dal termine greco “καρδιοειδής” vuol dire semplicemente “in forma di cuore”. Io direi piuttosto, mettendoci molta immaginazione, in forma che ricorda schematicamente quella del cuore. Vedi Fig. 1

     Fig.1 - Sezione in pianta di risposta polare di ripresa di un microfono a “Cardioide”

La realizzazione di microfoni a “Cardioide”, pur richiedendo tecniche costruttive di una certa complessità, non si è rivelata un problema per i costruttori specializzati che negli anni, con il migliorare della tecnologia, hanno sfornato moltissimi modelli nelle tipologie più diverse, dai microfoni a cardioide dinamici a quelli a condensatore.

La realizzazione di diffusori a “Cardioide” invece, nonostante la teoria sia ben conosciuta, non ha avuto la stessa fortuna e ben pochi costruttori al mondo si sono cimentati nella costruzione di diffusori basati su questi principi.

Le ragioni sono molto semplici.

Da un lato, infatti, un comportamento a cardioide alle alte frequenze non è necessario perché la direttività è ottenuta, in misura più consona alle esigenze, con metodi meno dispendiosi e complicati, come quelli che derivano dall’utilizzo delle trombe o più recentemente dall’impiego dei line array; dall’altro, ottenere una dispersione a cardioide alle frequenze basse, per la qual cosa abbiamo già detto la richiesta è in aumento, non è una questione di poco conto né facile da ottenere in modo efficace e a costi accettabili. Le difficoltà si riferiscono, ovviamente, alla costruzione di un diffusore per frequenze basse di dimensioni nella norma e prestazioni nella norma, non penalizzate nel rendimento da questo tipo di configurazione acustica; perché se non si considerano dimensioni, peso e costo, nel mercato esistono un paio d’esempi, tra i quali uno commercializzato da anni da un marchio famoso, che certamente fanno il loro lavoro, inoltre, facendo le stesse considerazioni, non è particolarmente difficile ottenere caratteristiche a “cardioide” da un sistema di sonorizzazione per le basse frequenze se si ha spazio e se si possono impiegare un numero di diffusori adeguato.

Di quest’ultima tecnica ci occuperemo in queste pagine, non prima però di aver citato rapidamente un recente progetto di basso a cardiode che, in modo originale ed efficace, realizza, credo per la prima volta, le condizioni auspicabili per la diffusione nel mercato di sistemi del genere. Dimensioni e pesi contenuti, costi accettabili.

Il progetto è mio e il diffusore, che si chiama Butterfly Low Pack C.D.L. 1815, è prodotto dall’Outline, proprietaria dei diritti sulla richiesta di brevetto italiana e successivamente su quella internazionale.

Non è mia abitudine, come credo tutti abbiano potuto constatare in tutti questi anni, parlare di prodotti dell’azienda che rappresento allo scopo di pubblicizzarli. Ne parlo in questo caso perché non sono riuscito a trovare altro esempio più trasparente e quindi più comprensibile al lettore, che spero apprezzerà come io, al contrario di altri, non faccia mistero di una complessa tecnica costruttiva per la quale è stata depositata addirittura una domanda di brevetto internazionale (PCT).

Senza mostrarvi il prodotto nella sua forma commerciale ed evitare per quanto mi è possibile di essere accusato di “conflitto d’interessi”, qui sotto potrete vedere un disegno geometrico di principio, uno schema elettrico equivalente del sistema oltre ad alcuni grafici polari che ne illustrano le caratteristiche direttive.

Fig. 2 - Schema di principio del sistema per basse frequenze Outline C.D.L. 1815

Fig. 3 - Circuito elettrico equivalente del sistema Outline C.D.L. 1815

Fig. 4 - Dispersione polare del sistema con “dispositivo” di controllo direttività non attivato

Fig. 5 - Dispersione polare del sistema con il dispositivo di controllo di direttività
attivato in modo da ottenere la classica dispersione “Cardioide”

Senza entrare nel dettaglio, appare evidente dai grafici, nonostante la scala diversa, la perfetta somiglianza della figura di dispersione del sistema C.D.L. 1815 con quella che appare nel grafico riferito al microfono cardioide più sopra.

Detto questo, vediamo come sia possibile ottenere un comportamento analogo, senza necessariamente utilizzare sistemi progettati appositamente, ma utilizzando i diffusori standard per basse frequenze che la stragrande maggioranza degli operatori del settore impiega normalmente. Come ho affermato più sopra, infatti, non è difficile fare questo avendo a disposizione però spazio e numero adeguato di diffusori.

Il disegno della figura 2 ci aiuta a capire che la disposizione dei diffusori oltre che la loro taratura, come vedremo, è il mezzo con cui ottenere la dispersione “cardioide”.

Analizziamo attraverso i soliti grafici un solo diffusore per basse frequenze alla frequenza di centro banda di 63Hz, che disponiamo come nel grafico di puntamento, fig.7, nel quale abbiamo evidenziato anche la sorgente virtuale dovuta alla riflessione del terreno.

Fig. 6 - A1v                                                     Fig. 7 - A1v2p

Fig. 8 - A1vP63                                                          Fig. 9 - A1vG63

La risposta di figura 8 evidenzia l’effetto della sorgente virtuale dovuta al terreno che incrementa leggermente, come abbiamo visto più volte, la direttività sul piano verticale. Il grafico del piano orizzontale rimane omnidirezionale come prevedibile. Il globo, fig. 9, rispecchia perfettemente la dispersione polare evidenziata nel grafico polare.

Le simulazioni presentate sono le classiche di un diffusore per basse frequenze “standard”.

Adesso mettiamo in campo il dispositivo “Cardioide”.

Per farlo serve un altro diffusore uguale al precedente che posizioneremo posteriormente accostato, come nel grafico di puntamento, fig. 10, è evidenziato dalla direzione delle frecce, con il frontale girato nella posizione opposta e collegato con polarità invertita di 180°. Questa disposizione consente di ottenere un gruppo il più compatto possibile evitando di occupare inutilmente altro spazio. Infatti, dal punto di vista acustico si potrebbe benissimo posizionare posteriormente il diffusore con il frontale nella stessa direzione tenendolo a debita distanza, sempre collegato con polarità invertita di 180°, ottenendo alle basse frequenze che c’interessano lo stesso risultato acustico. Questa posizione, che non rappresento nemmeno ma che vi lascio immaginare, darebbe luogo, senza una ragione tecnica condizionante, almeno ad un 50% in più d’occupazione dello spazio posteriore.

Fig. 10 - A2v2p

Vediamo ora la risposta polare ed il globo di tale configurazione.

Fig. 11 – A2vP63                                                                   Fig. 12 – A2vG63

I grafici polari evidenziano ovviamente l’effetto dell’inversione di polarità, al quale si deve la classica figura di dispersione a 8. Il globo evidenzia il progressivo annullamento del suono, a 90° rispetto al fronte o al retro, posizione angolare dove s’incontrano annullandosi due emissioni con polarità e quindi fase invertita.

Questa figura di dispersione, ovviamente non è quella che utilmente perseguiamo, la “Cardioide”, ed inoltre presenta lo svantaggio che l’energia prodotta da entrambi i diffusori sostanzialmente scende a zero per effetto dell’inversione di polarità. Dai grafici non si nota questa perdita d’energia perché, come ormai dovreste sapere, sono normalizzati allo scopo di evidenziare le figure di dispersione piuttosto che il livello SPL.

Nonostante ciò, questa condizione è in ogni caso quella di partenza per ottenere la figura a Cardioide.

Infatti, è sufficiente aggiungere l’opportuna quantità di ritardo al diffusore posteriore per trasformare la figura ad 8 in quella più utile e simile alla forma del cuore. Riguardo al livello SPL inoltre questo tipo di configurazione lascia inalterato il livello sonoro emesso dal diffusore frontale nella direzione utile, senza nessuna perdita di energia. Il diffusore posteriore, infatti, ha effetto solo sull’annullamento dell’emissione posteriore del diffusore frontale.

Quanto ritardo però?

Ci sono due modi per saperlo.

Il primo, empirico e semplicissimo, consiste nell’incrementare il delay progressivamente regolando la linea di ritardo o il crossover digitale che manda il segnale all’amplificatore di potenza del diffusore posteriore (quello anteriore avrà ovviamente un suo amplificatore separato ancorchè gli sia inviato lo stesso programma musicale).

Questo metodo presume ovviamente che, mentre il ritardo viene regolato, un microfono con analizzatore di spettro, o strumento analogo, misuri posteriormente, in asse al sistema, il livello SPL fino a quando si raggiunge la massima attenuazione posteriore delle bande di frequenza interessate.

Questa è una prassi che richiede un po’ di tempo per il settaggio.

Se si vuole essere più “scientifici” e si ha con sé una calcolatrice, il secondo metodo si basa su un calcolo molto semplice con il quale determinare in msec. o in metri, secondo le abitudini, il valore di delay necessario per realizzare la figura di dispersione Cardioide per le bande che interessano.

Il valore del delay da applicare al diffusore collocato posteriormente, infatti, corrisponde semplicemente alla distanza che si frappone tra le due sorgenti.

Questo delay aggiungendosi al delay già presente, determinatosi per la posizione fisica delle due sorgenti, corrispondente ancora una volta alla distanza tra loro, fa sì che le membrane del diffusore posteriore si muovano in controfase rispetto a quelle anteriori, essendo appunto invertite di polarità, nel momento opportuno per annullare completamente l’emissione posteriore del diffusore anteriore lungo l’asse di propagazione.

Si determina in questo modo la desiderata dispersione a “Cardioide”.

Senza ulteriormente approfondire la spiegazione con altre parole difficili da trovare, le immagini qui sotto renderanno evidente il fenomeno.

Fig. 13 – A2vP63                                                           Fig. 14 – A2vG63

I grafici si riferiscono all’esempio descritto in queste pagine, nel quale la distanza tra le sorgenti è di circa 0,6 m ed il delay corrispondente a tale distanza, applicato alla sorgente posteriore invertita di polarità, è di 1,75 msec.

Infatti, 344m percorsi nell’aria dal suono in 1sec. divengono 344 /1 * 0,00175 = 0,602 m percorsi in 1,75 msec.

Semplice vero?

Un’altra peculiarità interessante di questa configurazione consiste nel fatto che funziona in una porzione di spettro abbastanza ampia. Ma questo ed altri approfondimenti saranno argomenti per il prossimo numero.