Misure audio – terza parte

05 Set 2017

di Livio Argentini

FIG-1
figura 1

Il primo passo sarà quello di generare un segnale da inviare all’unità da testare, per poi analizzare e misurare il segnale in uscita.
Per questo si utilizzano due tipi di strumenti: oscilloscopi, che permettono una visualizzazione delle forme d’onda mentre, con quelli più moderni, è anche possibile effettuare qualche misura; millivoltmetri e distorsiometri per misurare livelli, potenze e distorsione.

Prima di cominciare ad effettuare misure, occorrerà risolvere i problemi di interfacciamento tra le uscite delle unità sotto test e l’ingresso degli strumenti. In pratica sono gli stessi problemi incontrati nelle connessioni in ingresso, tra generatori e dispositivi da misurare, ma molto più semplici e facili da risolvere.

Il primo cruccio riguarda le impedenze, ma questo non crea problemi perché le uscite degli apparecchi professionali presentano un’impedenza molto bassa mentre gli ingressi degli strumenti hanno un’impedenza molto elevata, quindi non si generano errori nella misurazione.

La seconda difficoltà riguarda la connessione fisica delle uscite, quasi sempre bilanciate, agli ingressi degli strumenti che, salvo qualche rarissima eccezione, sono praticamente sempre sbilanciati. Anche in questo caso, per risolvere il problema nella maniera corretta è necessario sapere come è realizzato l’apparecchio sotto esame, in particolare lo stadio di uscita.

Ci troveremo davanti quattro configurazioni possibili:

  1. uscita sbilanciata (come, ad esempio, gli amplificatori di potenza), configurazione che non pone alcun problema;
  2. uscita bilanciata con trasformatore; sarà sufficiente sbilanciare l’uscita collegando alla massa uno solo dei due terminali (normalmente il polo freddo); in questo caso la lettura del livello di uscita sarà reale;
  3. uscita bilanciata elettronicamente con servoamplificatore (la più diffusa); questa si comporterà, in pratica, come un’uscita con trasformatore. Occorre però fare attenzione ad una particolare caratteristica dei servoamplificatori: questi lavorano in modo corretto se il carico è perfettamente bilanciato o completamente sbilanciato, mentre se il carico non è perfettamente simmetrico sui due bracci della linea l’uscita verrà notevolmente falsata.
  4. uscita bilanciata con un semplice stadio invertente; in questo caso non è possibile sbilanciare l’uscita, basterà effettuare la misura solo su una delle due fasi, aggiungendo però 6 dB alla lettura.

Risolti i problemi riguardanti l’interfacciamento, vediamo quali sono le tipologie di strumenti a nostra disposizione.

FIG-2
figura 2
FIG-3
figura 3

La versione più semplice è rappresentata dal classico millivoltmetro audio. Si tratta di uno strumento ad ago con ampia scala simile a quello che troviamo integrato nei generatori, con la differenza che questo è amplificato per poter leggere anche segnali di basso livello. È presente un selettore a scatti, normalmente per passi di 10 dB, con un range di sensibilità da –60/80 dB fino a +40/50 dB.
La banda passante, in genere, è superiore a 100/200 kHz e la lettura rappresenta il valore RMS ottenuto in genere con una semplice operazione di scalatura, per cui di solito questo tipo di strumenti fornirà un risultato esatto solo misurando un segnale sinusoidale ma non con un segnale fortemente distorto o, peggio, un’onda quadra ecc.
Questo particolare non rappresenta generalmente un problema, in quanto nel settore audio tutte le misure riguardanti livello, guadagno, risposta e distorsione vengono effettuate con segnali sinusoidali di elevata purezza spettrale.
Alcune case producono strumenti con doppia lancetta e due differenti amplificatori, strumenti estremamente validi sia per il test di apparecchi stereo, sia per essere connessi contemporaneamente all’ingresso ed all’uscita dell’unità sotto test (figura 1).
È doveroso citare alcuni strumenti, anche se poco diffusi, con scala lineare in dB (ad esempio il voltmetro AC HP 400E/EL) che, avendo una scala molto espansa, sono adatti per il controllo della linearità.

Poiché, come ogni tecnico che si rispetti, siamo curiosi, vogliamo anche capire che cosa stiamo misurando. Il millivoltmetro ci fornisce una misura di livello molto precisa, su uno strumento ad ago si riesce ad apprezzare agevolmente anche una variazione di 0,1 dB, ma non ci dà nessuna informazione sulla purezza spettrale della forma d’onda. A questo punto entra in gioco l’oscilloscopio, che è senz’altro lo strumento più diffuso in tutti i laboratori.
L’oscilloscopio permette un’analisi visiva molto rapida, anche se piuttosto grossolana, della forma d’onda. Perché grossolana? Perché su uno schermo molto piccolo, solitamente da 5” (8 cm x 10 cm utili), non possiamo notare alterazioni della sinusoide (distorsione armonica) inferiori al 5/10 %. Ci permette, in compenso, di vedere abbastanza chiaramente il clipping del segnale e la presenza di auto-oscillazioni.
Occorre dire che con gli oscilloscopi è possibile misurare sia la frequenza del segnale sia il suo livello ma, come detto sopra, si tratta sempre di misure abbastanza imprecise. Gli oscilloscopi più recenti ed evoluti, specialmente quelli digitali, possono scrivere sullo schermo alcune misure come dato numerico. Obiettivamente bisogna dire che queste misurazioni, molto utili nelle analisi di circuiti digitali, di commutazione ecc, non sono molto pratiche nei test di apparecchiature audio.

A questo punto, raffinando le nostre misure, ci avviciniamo allo strumento TOP del settore: il distorsiometro.
Com’è fatto e come funziona un distorsiometro? Semplificando le cose, è praticamente un comune voltmetro audio accoppiato ad un filtro.
Come molti sapranno, un segnale distorto è composto dal segnale fondamentale a cui si aggiungono segnali con frequenza multipla (armonici, o armoniche).
La figura 2, ad esempio, riporta un’analisi schematica di un segnale a 200 Hz senza distorsione e, in effetti, non si vede nessuna armonica oltre alla fondamentale, mentre la figura 3 mostra lo stesso segnale con distorsione e vi si può notare la presenza di molti segnali con frequenza multipla (armoniche).
Il rapporto tra il livello complessivo delle armoniche e quello del segnale principale viene indicato come fattore di distorsione ed è solitamente espresso in percentuale.
Come viene effettuata questa misura? Come prima operazione occorre misurare il livello del segnale da analizzare. A questo punto si inserisce un filtro che cancella la fondamentale lasciando passare inalterati tutti gli altri armonici per misurarne il livello.

FIG-4
figura 4
FIG-5
figura 5
FIG-6
figura 6
A prima vista sembra un’operazione molto semplice, quasi elementare, mentre nella realtà è molto critica. Questo a causa della realizzazione del filtro che dovrà attenuare almeno 70/90 dB (a seconda della classe del distorsiometro) senza però avere effetto sulle armoniche e in particolare sulla seconda armonica che è la più vicina (l’ottava sopra).
Normalmente viene utilizzato un filtro a doppio T, filtro estremamente critico che richiede molte regolazioni.
I primi strumenti avevano regolazioni manuali, con tre controlli separati da usare in sequenza e ripetendo la regolazione fino ad ottenere il massimo dell’attenuazione. Questa operazione richiedeva molto tempo; i distorsiometri moderni la eseguono in modo automatico o semiautomatico.
In figura 4 sono riportati lo schema semplificato e le curve del filtro di un distorsiometro, in questo caso modello HP 339.
Di norma questi strumenti dispongono di un’uscita del segnale prelevata dopo il filtro. Questo segnale, inviato per esempio ad un oscilloscopio, permette si visualizzare e analizzare separatamente solamente la componente di distorsione.
Un buon sistema è quello di inviare al canale 1 dell’oscilloscopio il segnale principale – che oltretutto ci permetterà di stabilizzare l’immagine visualizzata sul quadrante dello strumento sincronizzandola con la frequenza del generatore – e sul canale 2 la componente di distorsione, così si potrà capire quali sono le armoniche generate ed anche stimare il livello del rumore di fondo. La figura 5 mostra lo schermo di un oscilloscopio con un segnale sinusoidale, prelevato da un generatore di funzioni con distorsione 0,5 %, ed il segnale prelevato dall’uscita del distorsiometro in cui si vede chiaramente solo il segnale rimanente (distorsione) dopo la soppressione della fondamentale.
Sopprimendo la fondamentale dal segnale in uscita dal dispositivo sotto test, quello che rimane non è solamente la distorsione ma anche il rumore inevitabilmente generato dai circuiti elettronici. Nei tempi passati, quando era tollerato un fattore di distorsione di 0,5% (quasi tutto di seconda armonica), il contributo del rumore era praticamente trascurabile. Nei circuiti moderni la distorsione armonica è scesa a valori minimi (0,001%) ed il livello del rumore non è più trascurabile, infatti ora spesso si parla di THD+N, acronimo in lingua inglese che significa distorsione armonica totale + rumore.
La figura 6 mostra sul quadrante dell’oscilloscopio un segnale sinusoidale generato da un generatore a bassa distorsione ed inviato ad un preamplificatore microfonico, insieme al segnale prelevato all’uscita del preamplificatore e filtrato dal distorsiometro. In questo caso si potrà notare che il contenuto di armoniche è estremamente basso (0,0015 %), mentre è ben visibile il livello del rumore.

Veniamo ora alle situazioni più pratiche e semplici.

Vorrei introdurre uno strumentino che sarà necessario autocostruire perché non disponibile in commercio, ma che non dovrebbe mancare sia in laboratorio sia in studio. Si tratta di un normale VU meter tarato (+4 dBu) inserito in un piccolo box con connettori IN e OUT più tre boccole ed un deviatore a due vie.
I connettori di ingresso e di uscita sono tutti collegati in parallelo tra loro. Servono un XLR, un Bantam, un Jack TRS da 6,35 mm ed un Jack da 3,5 mm, così da permettere la connessione diretta con qualsiasi apparecchiatura. La figura 7 mostra lo schema elettrico di questo semplice dispositivo di misura.

Qual è l’utilizzo pratico di questo semplicissimo strumento?

In studio permette di controllare in modo immediato il livello di lavoro: in particolare con la connessione Bantam possiamo prelevare il segnale dalla patchbay e testare tutti i punti del mixer.
In laboratorio la connessione sulle tre boccole ci permette di prelevare il segnale in modalità sbilanciata separatamente su due canali.

Testando un insert, ad esempio, possiamo controllarne il livello di send e con l’uso del deviatore testare il return e la continuità del cablaggio. Questo piccolo e semplice strumento può risultare molto utile, in particolare, per eseguire misure su funzioni ausiliarie quando gli strumenti principali sono impegnati in altre misure (ad esempio sugli ingressi e sulle uscite principali).

Pillole di teoria

Approfondimenti necessari alla comprensione quantitativa delle misure audio

Che cos’è la distorsione armonica totale?

Qualunque sistema elettronico lineare è caratterizzato dal fatto che se poniamo al suo ingresso un segnale sinusoidale di una certa ampiezza e fase, all’uscita del sistema troveremo ancora il segnale sinusoidale a quella frequenza ma con fase ed ampiezza diverse (ad esempio l’ampiezza sarà più elevata, se il sistema è un amplificatore).

Ciò è vero solo idealmente, infatti ogni sistema elettronico reale è caratterizzato da fenomeni complessi di non linearità.

La non linearità del sistema reale implica che lo spettro di uscita di un sistema elettronico, quando sottoposto ad un ingresso sinusoidale, comprenda anche delle componenti armoniche, ossia dei segnali sinusoidali con una certa fase ed ampiezza che sono generati a frequenze multiple della frequenza fondamentale posta in ingresso. Queste armoniche vengono generate a causa delle non linearità del sistema stesso.

La distorsione armonica totale, detta THD (Total Harmonic Distorsion) è espressa mediante la formula generale:

THD

 Dove le tensioni sono espresse in valore RMS e l’indice 1 rappresenta la fondamentale mentre le altre tensioni sono la seconda, la terza, ... l’ennesima armonica.

Ci sono diverse vie per indicare la distorsione armonica, sempre partendo dalla stessa equazione.

Spesso la somma delle ampiezze del residuo armonico (il termine a numeratore dell’espressione precedente) è rappresentato da un valore molto piccolo, quindi il valore della THD è espresso da un numero molto minore di uno. Per questo motivo, a volte tale valore viene moltiplicato per 100 e la THD è espressa in percentuale.

In altri casi si usa specificare la distorsione in dB:

THD in dB

Esempi

Calcolare la distorsione armonica introdotta da un sistema che, con all’ingresso un segnale sinusoidale da 1 kHz spettralmente puro di ampiezza V1 = 3,5 VRMS.
Il sistema genera in uscita le seguenti armoniche

V2 = 0,1 VRMS (2 kHz);

V3 = 0,2 VRMS (3 kHz);

V4 = 0,05 VRMS (4 kHz).

La distorsione armonica sarà quindi:

esempio 1

Oppure pari a 0,065 x 100 = 6,5 %. 

Esprimendo invece il valore calcolato sopra in dB, si ottiene:

esempio 1 in dB

 

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