TECNOLOGIE AUDIO E DINTORNI.
di
Guido Noselli
Parametri Sintetici per la valutazione d'un impianto audio professionale
per il rinforzo del suono. - Parte II -
Sino ad ora ho commentato ed evidenziato una prassi scorretta, cioè
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 precedentemente, 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 Standards 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 da 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.
| la compressione della potenza |
| la distorsione |
| la distorsione armonica totale THD |
Curve sezione bassi con potenza diverse da 1 a 400 Watts
Alterazione della risposta in frequenza di una sezione bassi dovuta a Power Compression
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 gia 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 a
lato due grafici, costruiti con un potente programma di simulazione
e di misura LEAP/LMS, che renderanno chiaro il fenomeno.
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 1Watt.
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 appare chiaro che già con metà della potenza accettata,
200 watts, 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 sheets.
Quest'omissione non avviene per una sorta di vera e propria malafede
collettiva, ma da un lato per un'esigenza puramente commerciale come
ho gia 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 sheets. Ho spiegato il fenomeno e portato questo esempio 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, 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 Standards 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.
Max SPL
In questo frangente comunque ritengo utile parlare in questo modo per due ragioni: la prima è che lo scopo di questo articolo non è quello di 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. Ahnert, 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, a mia saputa, 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.
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
è 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: "sarà sufficiente il nostro impianto di sonorizzazione
a supportare adeguatamente la performance o lo show per il quale è stato
scelto?"
RIFERIMENTI E NOTE
(1) Per capirne di più sul dimensionamento potrete leggere una mia breve nota tecnica Quegli sporchi maledetti watts allindirizzo http://www.outline.it/index_it.htm.
(2)
È doveroso ricordare che un approccio simile, riguardante la distorsione
dei sistemi daltoparlanti, è stato affrontato e risolto già dal 1981,
inizialmente con lintroduzione 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 danni dopo, nel 1983,
un gruppo di lavoro sempre Italiano facente capo ad Audio Review, una
altra notissima rivista del settore Hi-Fi, composto da Bo Arnklit, Renato
Giussani, Paolo Nuti, introdusse la MIL e la MOL, Livello Massimo dIngresso
e Livello Massimo dUscita dei sistemi daltoparlanti, due modalità di
misura del livello con rappresentazione a terzi dottava in funzione di
una data distorsione, che anticipavano di molti anni quanto adesso in
misura minore e più semplificata ci propongono ling. 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 si aggiunge a quelle
precedenti ed è ancora più attuale e certamente 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.
Ancora
un altro caso, purtroppo, per cui posso affermare Nemo Profeta in Patria
anche se stavolta non si tratta desterofilia, ma soltanto dellobbiettiva
difficoltà del settore professionale in Italia, privo 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 gia parlato di questo argomento sul numero 14 di S&L del Dicembre 98, al quale rimando per ulteriore informazione.
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".
Possiamo dire che un impianto di sonorizzazione
è adeguato, per definizione, quando è in grado di sonorizzare tutta l'audience
con la maggiore uniformità possibile dal punto di vista timbrico e del
livello sonoro; entrambe queste esigenze, non va mai dimenticato, sono
le più importanti per la soddisfazione degli spettatori che hanno pagato
per assistere ad uno show musicale.
Può sembrare
retorica ricordarlo, ma purtroppo troppo spesso in tanti shows, 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!
"non possiamo dimenticare che l'immagine, in questo caso, deve essere un supporto e non sostituirsi per importanza alla buona riproduzione della musica".
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 se 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: quali
sono le caratteristiche che sinteticamente definiscono l'adeguatezza di
un impianto di sonorizzazione?
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.
Infatti, se e vero che l'impianto, deve sonorizzare omogeneamente e con sufficiente qualità "l'audience" da tutti i punti di vista, esso dovrà avere la copertura sonora adatta a quell'audience e con quella copertura sonora dovrà avere la capacità di riprodurre una Banda Effettiva di Frequenze, sufficientemente ampia ed adeguata al segnale musicale da amplificare, ad un livello sonoro tale che anche l'ascoltatore più lontano possa sentirsi coinvolto dallo spettacolo per tutta la sua durata, indipendentemente dai fenomeni di power compression, e sentire con sufficiente intelligibilità senza essere afflitto dalla fatica d'ascolto che la distorsione provoca.
Ecco quindi in sintesi cosa è indispensabile conoscere del nostro impianto:
La massima pressione sonora a lungo termine "Long Term" ("MAX SPL") a larga banda ("Effective Frequency Bandwith"), ad una data distanza di riferimento, ottenibile senza il superamento della distorsione ritenuta accettabile ("Max THD"), per un determinato angolo di copertura sonora ("Radiation angle, Coverage").
I "watts",
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 watts, che si legge ad esempio sui classici "riders"
si potrebbe sostituire dunque molto più opportunamente e correttamente:
- IMPIANTO AUDIO per "Musica Rock" (Pop,
Jazz, Heavy Metal, Classica, Leggera ecc.)
- "100 dB SPL Max a 30 metri su 90°" (I valori
qui riportati sono solo un esempio).
Questa è la mia proposta! Naturalmente questo tipo di caratterizzazione quantitativa dovrà essere uniformato per tutti agli stessi standards 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.
