The Absolute Audiophile Labs – La misura della risposta in frequenza

 

di Giuliano Nicoletti

 

La misura della risposta in frequenza è senza dubbio il più importante strumento di analisi e valutazione di ogni diffusore acustico. Il grafico che rappresenta la funzione di trasferimento di un sistema di altoparlanti è in grado di offrire le informazione più chiare e leggibili sulle sensazioni che vengono percepite durante l'ascolto, e costituisce l'elemento grafico più caratterizzante e facilmente fruibile per stabilire relazioni dirette tra percezione soggettiva ed analisi strumentale.

Per visualizzare correttamente la risposta in frequenza di un diffusore acustico - e produrre dei grafici che siano direttamente relazionati alle qualità percepite soggettivamente - non è sufficiente però produrre una semplice curva di risposta in asse (come troppo spesso accade), ma è invece necessario ricorrere a delle routine abbastanza complesse, avere a disposizione un ambiente adatto a misure acustiche e una buona dose di esperienza. Prima di addentrarci nell'analisi del setup sviluppato per la TAA, andiamo allora ad introdurre alcuni concetti che saranno necessari per interpretare correttamente le misure pubblicate, delle chiavi di lettura che potranno rendere le nostre misure massimamente utili e indicative.

 

Curve...

Il grafico della risposta in frequenza di un diffusore acustico visualizza l'intensità acustica con cui viene riprodotto il segnale inviato al sistema di altoparlanti; sull'asse delle ascisse sono riportati i valori di frequenza espressi in Hz, su quello delle ordinate i valori di pressione acustica espressi in deciBel. La banda passante che costituisce il segnale audio si estende per convenzione da 20 a 20.000 Hz; questo è difatti l'intervallo di frequenze che viene percepito direttamente dal nostro sistema uditivo (si tratta di una semplificazione che non tiene conto della percezione psico-acustica, ma in questa sede può essere considerata valida). Nella maggior parte dei casi le limitazioni meccaniche dei convenzionali altoparlanti elettrodinamici non permettono di affidare ad un unico componente la riproduzione dell'intero spettro dell'udibile, ed è pertanto necessario suddividere la banda audio in porzioni di minore estensione ed affidarne la riproduzione a trasduttori specializzati per operare in un determinato intervallo di frequenze.

 

 

Nel grafico qui sopra ho riportato una suddivisione orientativa delle varie gamme di frequenza solitamente affidate ai diversi altoparlanti di un diffusore acustico, assieme all'indicazione della banda passante di alcuni dei più diffusi strumenti musicali. Gli amanti dei sistema full-range noteranno compiaciuti che la maggior parte degli strumenti utilizzati dall'uomo per creare musica sono caratterizzati da una banda passante molto più ampia di quanto solitamente non accada con i singoli componenti di un classico sistema di altoparlanti.

La prima indicazione interessante che viene fornita da un grafico di risposta in frequenza di un diffusore è quindi la definizione della banda passante, dell'estensione della risposta nello spettro udibile. Non si tratta di un parametro puramente qualitativo, poiché esistono eccellenti diffusori poco estesi agli estremi di banda, ma è comunque un'importante caratterizzazione quantitativa, che deve essere posta in relazione alle proprie preferenze e all'ambiente di ascolto.

 

La seconda indicazione interessante riguarda la regolarità della risposta, vale a dire il modo in cui un tracciato si snoda attraverso il grafico. Le curve rappresentate portano in sé alcune evidenti macro-informazioni, all'interno delle quali debbono essere distinte micro-informazioni. Questa sorta di stratificazione informativa necessita di alcune chiavi di lettura determinanti: un tracciato esente da alterazioni, picchi o avvallamenti è chiaramente da preferire, ma occorre sempre interpretare ciò che si osserva, porre in relazione le indicazioni grafiche con i fenomeni che le hanno generate, e con l'influenza che avranno poi in fase di ascolto. Alcune caratterizzazione possono difatti essere ricercate in fase di progettazione o dipendere dall'interazione del filtro crossover con gli altoparlanti, altre sono generate da interazioni acustiche tra i vari altoparlanti del sistema, o dal carico acustico del mobile del diffusore, altre ancora debbono essere relazionate alla presenza di risonanze.

 

Come indice generale il fenomeno  della risonanza acustica non deve essere demonizzato (in fondo la totalità degli strumenti musicali sfrutta proprio questo principio meccanico), ma è indispensabile essere in grado di misurarlo e interpretarlo correttamente. Osserviamo il grafico qui sopra, estratto dal preziosissimo lavoro di Floyd Toole, Acoustics of loudspeaker and rooms: le caratterizzazioni della curva raccontano diverse storie sovrapposte, e spetta all'osservatore il compito di saperle discernere ed interpretare, di modo che il grafico stesso sia un aiuto alla comprensione, e non un disturbo da osservare con diffidenza. Man mano che nuovi diffusori passeranno davanti ai microfoni del nostro laboratorio avremo modo di osservane l'andamento, di valutarne le caratteristiche e di interpretarne le code percepite in sede di ascolto soggettivo.

 

In ambiente

I diffusore acustici, inoltre, emettono suono in ambienti chiusi, e generano dunque riflessioni che hanno un'influenza determinante nella generazione della sensazione acustica soggettiva. Ciò che l'ascoltatore percepisce deve essere separato nelle tre componenti fondamentali:

 

- suono diretto – quello che arriva al nostro sistema uditivo direttamente dai diffusori.

- riflessioni primarie – le onde acustiche che vengono riflesse una sola volta dalla pareti dell'ambiente, e quindi arrivano all'ascoltatore con un piccolo ritardo (solitamente compreso tra 2 e 10 milli-secondi).

- campo riverberato – il suono che viene riflesso da tutto ciò che è presente nell'ambiente di ascolto e arriva all'ascoltatore dopo riflessioni multiple, sino al totale assorbimento dell'energia immessa in ambiente dai diffusori.

 

Infine, occorre considerare che ciò che accade in una comune sala di ascolto in ambiente domestico è molto differente da quanto raccontato da semplici formule. Le risonanze perimetrali che si generano in gamma bassa, da circa 3-400 Hz sino alle frequenze inferiori, sono quasi sempre predominanti nel determinare la qualità timbrica percepita soggettivamente, ed è questo il motivo per cui le frequenze basse sono anche quelle più strettamente legate alla posizione di ascolto.

E' ovviamente possibile (e consigliato) effettuare dei trattamenti acustici che sappiano ridurre in modo sensibile le interazioni tra diffusori e ambiente di ascolto, ma occorre tenere a mente che in gamma bassa la relazioni tra le misure effettuate in ambiente anecoico e quelle effettuate in ambienti reali sono difficilmente confrontabili. Tutta la gamma medio-alta può essere invece derivata in maniera più diretta dalle misure, ma ancora una volta è necessario essere in grado di prevedere il modo in cui i diffusori emettono energia a differenti angolazioni: verso il pavimento, il soffitto, le pareti laterali, posteriore e anteriore. Tracciare una singola curva di risposta sull'asse principale di un diffusore acustico ha poco senso, è scarsamente utile e può generare invece fraintendimenti e - soprattutto - perdita di fiducia del pubblico verso la possibilità di stabilire relazioni dirette tra verifiche strumentali e test soggettivi di ascolto. Che cosa misurare, allora? Per dirla con le parole di Floyd Toole: “In short, one must measure everything” (in breve, occorre misurare tutto).

 

Il setup di misura

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Alcuni produttori di sistemi di altoparlanti hanno sviluppato complessi sistemi di misura proprio affidandosi a questo breve motto. La potenza di fuoco dell'immenso gruppo Harman ha permesso ad esempio di mettere a punto – in collaborazione con alcuni ricercatori di indubbie qualità - un sistema di rilevazione dati automatizzato che effettua circa 70 misure spaziate a 360 gradi intorno al diffusore. Le rilevazioni vengono quindi mediate secondo una distribuzione spaziale che tiene conto dell'analisi delle caratteristiche medie degli ambienti di ascolto casalinghi (dimensioni delle stanze, distanze diffusori-ascoltatore, caratteristiche di assorbimento e riflessione), e producono infine un grafico che visualizza quattro curve indipendenti. Ovviamente si tratta di una ruotine estremamente impegnativa, ma senza dubbio estremamente significativa e caratterizzante.

Per il laboratorio di TAA abbiamo deciso di prendere spunto da questo setup e semplificarlo in modo da renderlo ragionevolmente applicabile, ma ancora valido nella caratterizzazione dei sistemi di altoparlanti sotto test. Ogni diffusore in prova viene misurato in tutti i principali assi di radiazione, per un totale di 22 misure di risposta in frequenza.

Sul grafico della risposta in frequenza vengono infine tracciate 5 curve:

 

axis: è la singola rilevazione effettuata nell'asse principale di emissione, solitamente in corrispondenza del tweeter o a circa 90 cm di altezza effettiva dal pavimento. E' la curva di minore interesse, ma resta pur sempre uno standard, è rapida da graficare e gli appassionati vi sono affezionati, dunque abbiamo deciso di mantenerla, per riferimento a quanto spesso pubblicato dai produttori.

 

listening window: è la curva ottenuta dalla media di 7 misure effettuate in una finestra di +/- 20 gradi sull'asse orizzontale e +/- 10 gradi sull'asse verticale. Esprime il suono percepito direttamente dall'ascoltatore nella zona solitamente dedicata all'ascolto, ed effettua una media significativa delle interazioni acustiche dei vari altoparlanti e del carico acustico del pannello frontale; ne addolcisce gli estremi e nel contempo ne evidenzia l'andamento. Mostra l'impostazione timbrica di base del diffusore.

 

early reflection: per ottenere questa curva si effettuano anzitutto le medie del suono emesso nei campi anteriore (7 misure), posteriore (5 misure), laterale (3 misure), soffitto (3 misure), pavimento (3 misure). Queste cinque curve vengono a loro volta ulteriormente mediate e ne producono un'ultima che rappresenta l'andamento della risposta emessa verso i punti che generano le prime riflessioni ambientali, responsabili dirette della sensazione di spazialità e dell'immagine acustica. E' da leggere come la prima risposta dell'ambiente, e da porre in relazione alla curva listening window, a cui dovrebbe essere relazionata per coerenza e andamento.

 

power response: è la media ponderata di tutte le 22 curve effettuate, e mostra il modo in cui il diffusore emette energia acustica a 360 gradi. E' quindi rappresentativa del campo riverberato dall'ambiente, ed evidenzia inoltre le risonanze principali del diffusori.

 

 

 

directivity index: è la differenza tra la singola risposta effettuata sull'asse principale e la risposta in potenza. Mostra quindi l'andamento della direttività, ed evidenzia anch'essa l'eventuale presenza di risonanze principali, che vengono tipicamente emesse verso tutte le angolazioni. In alcuni casi queste risonanze indicano dei problemi, in altri delle semplici caratterizzazioni. Di questa curva è importante valutare quindi la regolarità della progressione e l'entità delle alterazioni più repentine.

 

Tutte le curve di risposta vengono effettuate in una sala a bassa riverberazione di 5.6 x 6.6 x 8 metri, a circa tre metri di altezza dal pavimento; le singole misure ottenute vengono importate in alcuni fogli di calcolo di elaborati appositamente, e successivamente importate ed editate tramite un programma dedicato, per produrre infine i grafici pubblicati sulla rivista.

 

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Conclusioni?

 

Difficile trarne; il compito del recensore sarà quello di guidare i lettori verso l'interpretezione delle curve e fornire di volta in volta delle chiavi di lettura significative e solide, che possano andare a costruire pian piano l'architettura del giudizio indipendente. Il setup sviluppato fornisce indicazioni ampie e significative, in modo molto più moderno e interessante di quanto sia possibile ottenere da singole curve (o, peggio, dalla fuorviante e abusata misura in asse). Resta impossibile fornire delle indicazioni dirette, anche perchè restiamo convinti che esistano molti modi differenti di interpretare la progettazione del diffusore acustico, e dunque diversi esiti strumentali. Allo stesso modo sarà possibile individuare alcuni limiti, difetti più o meno evidenti, e tracciare un carattere sonico che possa costituire una base solida ed un'alternativa di giudizio che si possa affiancare alla valutazione soggettiva effettuata in sede di ascolto. A questo proposito abbiamo affiacanto ai grafici principali dei piccoli semafori che indicheranno una valutazione qualitativa di massima, in modo semplice e chiaro. A questi si affiancano le note tecniche, per offrire informazioni fruibili a differenti livelli di complessità. Restiamo convinti che questi due momenti di analisi debbano restare indipendenti, ma nello stesso tempo condividere informazioni e contribuire con differenti mezzi alla costruzione di una valutazione quanto più possibile oggettiva e affidabile dei diffusori sotto prova.

 

 

Floyd E. Toole studied electrical engineering at the University of New Brunswick, and at the Imperial College of Science and Technology, University of London, where he received a Ph.D. In 1965 he joined the National Research Council of Canada, where he reached the position of Senior Research Officer in the Acoustics and Signal Processing Group. In 1991, he joined Harman International Industries, Inc. as Corporate Vice President – Acoustical Engineering. In this position he worked with all Harman International companies, and directed the Harman Research and Development Group, a central resource for technology development and subjective measurements. Early in 2007 Dr. Toole retired.

Dr. Toole’s research has focused on the acoustics and psychoacoustics of sound reproduction in small rooms. Most notably, he established methods for subjective and objective evaluations which have been used to clarify the relationships between technical measurements of audio equipment and listeners’ perceptions. All of this work was directed to improving engineering measurements, objectives for loudspeaker design and production control, and techniques for reducing variability at the loudspeaker / room / listener interface. For papers on these subjects he has received two AES Publications Awards and the AES Silver Medal. A book, “Sound Reproduction”, for Focal Press (2008) is his most recent project. He is a Fellow and Past President of the Audio Engineering Society and a Fellow of the Acoustical Society of America. He is currently active in teaching and course development in CEDIA and in 2008 he was awarded the CEDIA Lifetime Achievement Award.

 

 

 

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