Il laboratorio acustico di TAA

di Giuliano Nicoletti

 

“…bearing in mind always that evidence that offends the eye may or may not indicate the presence of a problem that is offensive to the ear”

Floyd E. Toole

 

L’obiettivo principale di ogni ricercatore dedito allo studio dei dispositivi di riproduzione audio è senza dubbio quello di stabilire delle relazioni dirette tra le misure strumentali e le sensazioni soggettive di ascolto.

Si tratta di un compito estremamente complesso, per diversi motivi: anzitutto è necessario rendere affidabili i risultati dei test di ascolto soggettivi, di modo che possano costituire una traccia valida a cui fare riferimento durante l’analisi tecnica. Le misure, dal canto loro, debbono essere in grado di descrivere aspetti qualitativi che si manifestano in ambiti diversi; termini tecnici abituali nel linguaggio del recensore acustico, quali ampiezza dell’immagine, sensazione di naturalezza, contrasto, dinamica, timbrica, sono relativi a fenomeni che si manifestano in differenti domini di analisi: funzione di trasferimento del sistema per differenti angolazioni di radiazione (e dunque risposta in potenza), risonanze acustiche e meccaniche, distorsioni non lineari, interfacciamento con l’amplificatore e con l’ambiente di ascolto. Ciò che l’orecchio – e il cervello - percepisce come “unicum”, una sensazione che si sviluppa nel corso dell’ascolto in modo naturale, spontaneo, deve essere frammentata dall’analisi tecnica in diversi sottogruppi - relativi alla natura mista dell’evento - e successivamente reintegrata per fornire un quadro d’insieme che sia in grado di individuare dei parametri di valutazione coerenti e ripetibili (la base dell’analisi tecnica). Nel caso poi di un setup di misure dedicato alla pubblicazione sulle pagine di una rivista ad ampia diffusione (piuttosto che ad un paper tecnico altamente specializzato), è necessario che tutto sia chiaro e facilmente comprensibile, di modo da poter risultare di massimo supporto al lettore (al quale, è bene ricordarlo, non dovrebbe essere richiesta la competenza specifica di un tecnico specializzato). La veste grafica di TAA, infine, è profondamente differente da quelle di una rivista pubblicata su carta stampata: sarà dunque possibile uscire dai limiti e dalle restrizioni tipiche di una impaginazione rigida, per risolvere in modo creativo e dinamico le differenti esigenze che di volta in volta dovremo affrontare.

 

Il setup di misura standard

Il punto di partenza delle analisi a cui sottoporremo i diffusori acustici che passerano sotto i ferri del reparto misure sarà l’analisi della funzione di trasferimento del diffusore acustico - la classica risposta in frequenza. Il setup più diffuso nelle riviste del settore prevede solitamente la misura della risposta in asse, in alcuni (rari) casi corredata dalle riprese a varie angolazioni orizzontali e verticali: questo tipo di analisi risulta del tutto insufficiente per valutare correttamente la funzione di trasferimento di un diffusore acustico, e per stabilire una relazione utile con la percezione soggettiva in fase di ascolto.

Come evidenziato nelle preziose ricerche di Floyd Toole in [1], Sean Olive in [2] e Allan Devantier in [3], per ottenere delle indicazioni coerenti sulla funzione di trasferimento di un diffusore acustico è necessario approndire l’analisi del diagramma di emissione polare, mappare diverse aree di emissione e calcolare una media spaziale dei risultati.

Presenteremo dunque una risposta mediata del suono diretto percepito dall’ascoltatore, mappando una zona relativa a circa +/- 20 gradi di emissione  sull’asse orizzontale, e +/-10 gradi su quello verticale: questa media - ragionevolmente rappresentativa della finestra di ascolto - rende meno evidenti le fluttuazioni della risposta dovute ad interazioni acustiche delle vie e alle diffrazioni sui bordi del pannello, e mostra un andamento direttamente raffrontabile alle caratteristiche timbriche basilari percepite soggettivamente.

Questa analisi verrà inoltre approfondita dalla misura delle medie di emissione rappresentative delle prime riflessioni in ambiente, e della risposta in potenza del sistema; la differenza tra la risposta nella finestra di ascolto e la risposta in potenza permetterà infine di ricavare l’indice di direttività del diffusore sotto test, uno dei più interessanti indicatori della omogeneità di emissione in ambiente, delle risonanze del sistema e delle caratteristiche di spazialità percepite soggettivamente. Il setup di Devantier per Harman in [3] prevede 70 misure di risposta in una sala anecoica con risposta estesa sino a 20 Hz e una finestra di acquisizione di 500 ms (fig. 1, courtesy of Harman International); nella redazione tecnica di TAA stiamo lavorando alla messa a punto di una procedura che permetta di ottenere risultati comparabilmente significativi a fronte di una necessaria semplificazione di setup. I primi risultati sono estremamente incoraggianti, e ci spingono a proseguire su questa strada.

 

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Il valore di sensibilità del diffusore acustico sotto analisi verrà ricavato dalla media dei valori di Spl compresi tra 200 Hz e 12 kHz riportati nel grafico di risposta della finestra di ascolto, maggiormente rappresentativo della sensazione di Spl percepita all’ascolto. Questo dato verrà ovviamente messo a confronto con la classica misura di modulo e fase dell’impedenza dei trasduttori; negli ultimi anni assistiamo ad una corsa all’abbassamento dell’impedenza dei diffusori commerciali piuttosto preoccupante: dedicheremo una approfondimento a questo tema, analizzando le relazioni e gli interfacciamenti tra amplificatori di potenza e diffusori acustici, e facendo chiarezza a proposito di Ohm, Watt, dB Spl e distorsioni in corrente e tensione.

 

Corollario dell’analisi della funzione di trasferimento del diffusore completo sarà l’esecuzione della trasformata Wavelet sull’impulso ottenuto dalla misura effettuata sull’asse principale di emissione. A differenza della classica misura di Cumulative Spectral Decay rappresentata tramite il grafico di Waterfall, la trasformata Wavelet offre informazioni significative sull’intero sviluppo dell’impulso con un compromesso tra risoluzione temporale e frequenziale più simile al comportamento dell’orecchio umano rispetto alla finestratura fissa della Waterfall. Il grafico che ne risulta offre una visualizzazione chiara delle capacità del sistema di smaltire l’energia fornita dall’impulso e di eventuali risonanze che si protraggano nel tempo.

 

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Nei casi che valuteremo più interessanti procederemo all’analisi delle singole emissioni dei componenti del diffusore acustico, ne misureremo la funzione di trasferimento, la fase acustica relativa, le modalità di interazione acustica in relazione al diagramma di emissione polare del diffusore e alle caratteristiche percepite soggettivamente. Sarà inoltre interessante approfondire le modalità di progettazione dei filtri crossover (mediante lo studio degli schemi implementati), che ci mostreranno qualcosa in più a proposito delle intenzioni dei progettisti e del modo di interpretare questa particolare disciplina, così complessa ed affascinante.

 

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Nel setup di misura standard sarà certamente presente anche una misura della distorsione, effettuata mediante un segnale multitono a due differenti livelli di Spl; Il segnale multitono è molto simile al segnale musicale, genera distorsioni armoniche e di intermodulazione e offre una informazione significativa e facilmente leggibile sul comportamento del sistema sotto test. Il nostro  riferimento per questo tipo di analisi è il lavoro effettuato da Eugene Czerwinski, Alexander Voishvillo, Sergei Alexandrov e Alexander Terekhov in [5]; al momento stiamo sviluppando una rappresentazione grafica semplice, immediata e comparabile che ci permetta di avere una indicazione immediata del rapporto segnale/rumore del diffusore acustico sotto test, e di porlo in diretta relazione con altri prodotti analizzati. L’utilizzo del modulo LPM del Distortion Analyzer di Klippel ci permetterà inoltre di identificare i fattori di distorsione nonlineare più classici, come quelli prodotti dal fattore Bl(x), dalla complianza Cms(x), dall’induttanza Le(x), dall’effetto Doppler e dalle risonanze di break-up del sistema, come descritto dallo stesso Wolfgang Klippel in [6] e [7].

 

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Sempre mediante l’utilizzo del Distortion Analyzer avremo la possibilità di focalizzare l’attenzione sulle caratteristiche tipiche degli altoparlanti utilizzati nei diffusori acustici sotto test, come descritto dallo stesso Wolfgang Klippel in [7], [8]. Questo irrinunciabile strumento di misura permette di identificare tutte le più classiche distorsioni di non linearità tipiche dei trasduttori elettrodinamici, di stabilire quali siano i parametri che limitano le prestazioni dinamiche e di verificare la correttezza e la funzionalità delle scelte effettuate in sede di progettazione. I diversi altoparlanti che compongono il sistema completo restano i primi responsabili delle più importanti caratteristiche soniche – le sensazioni di dinamica, scioltezza di emissione, raffinatezza della grana, reattività al segnale – e una analisi approfondita delle loro qualità ci offrirà informazioni qualificanti.

 

Avvicinandoci sempre di più agli altoparlanti sotto test, potremo andare a puntare sulle membrane il laser del nuovissimo Scanning Vibrometer, sempre dai laboratori dell’infaticabile Wolfgang Klippel, presentato nel 2006 in [9]. Da questa analisi potremo ricostruire con precisione i modi di vibrazione dei coni e il contributo specifico alla pressione acustica; lo Scanning Vibrometer utilizza una tecnica di decomposizione che separa i modi radiali e quelli circolari, visualizza le componenti di emissione in fase, antifase e quadratura, permettendo di identificare le dinamiche responsabili delle alterazioni nella risposta acustica complessiva. Il software genera delle animazioni molto chiare ed intuitive, che troveranno una accoglienza privilegiata nell’ipertesto delle pagine di TAA.

 

Dal quadro complessivo che si può dipingere utilizzando diversi strumenti e modalità di analisi sarà possibile identificare con estrema precisione le relazioni di causa-effetto tra parametri tecnico-progettuali e la sensazione soggettiva di ascolto, identificando quello che consideriamo il concetto di qualità. La qualità – ne siamo convinti – non è un parametro astratto né soggettivo: esistono degli obiettivi - che ogni produttore di diffusori acustici si prefigge di realizzare - ed è possibile oggi valutare in modo oggettivo e sereno i risultati raggiunti, senza lasciare spazi a dubbi, perplessità, scetticismo. Compito delle schede tecniche pubblicate su TAA sarà quello di stabilire una scala dell’indice di qualità il più possibile affidabile ed oggettiva - relazionandosi di volta in volta con la tipologia e la categoria commerciale dei prodotti sotto test - e di renderla facilmente leggibile e archiviabile, per permettere futuri confronti e generare un archivio di dati che sarà a disposizione dei lettori e dei produttori, a cui ci riferiamo con particolare disponibilità e spirito di collaborazione. Attendiamo con interesse le vostre considerazioni - suggerimenti e critiche - e vi diamo appuntamento alle prime prove tecniche che saranno pubblicate sui prossimi numeri. Infine vorrei ringraziare Mattia Cobianchi, per i preziosi consigli elargiti durante l’evoluzione di questo progetto, ed Elettromedia, nel cui laboratorio elettroacustico di ricerca e sviluppo sono effettuate la maggior parte delle misure.

 

Bibliografia:

 

[1] F.E. Toole, “Loudspeaker Measurements and Their Relationship to Listener Preferences”, Journal of the Audio Engineering Society, vol. 34, pt.1 pp. 227-235 (April 1986), pt. 2 pp. 323-348 (May 1986).

 

[2] F.E. Toole and Sean Olive, “The Modification of Timbre by Resonances: Perception and Measurement”, Journal of the Audio Engineering Society, vol. 36, pp. 122-142 (March 1988).

 

[3] Allan Devantier, “Characterizing the Amplitude Response of

Loudspeaker Systems”, Convention Paper 5638 Presented at the 113th Convention, (October 2002).

 

[4] Sean Olive and F. E. Toole, “The Detection of Reflections in Typical Rooms”, Journal of the Audio Engineering Society, vol. 37, pp. 539-553 (July/August 1989).

 

[5] Eugene Czerwinski, Alexander Voishvillo, Sergei Alexandrov, Alexander Terekhov, "Multitone Testing of Sound System Components — Some Results and Conclusions", presented at the 109th Convention of the Audio Engineering Society, Los Angeles, CA, 2000 September 22 –25.

 

[6] Wolfgang Klippel, “AN16 - Multitone Distortion”, www.klippel.de

 

[7] W. Klippel, "Diagnosis and Remedy of Nonlinearities in Electro-dynamical Woofers", presented at the 109th Convention of the Audio Engineering Society, Los Angeles, September 22-25, 2000, preprint 5261.

 

[8] W. Klippel, "Distortion Analyzer – a New Tool for Assessing and Improving Electrodynamic Transducer", presented at the 108th Convention of the Audio Engineering Society, Paris, February 19-22, 2000, preprint 5109.

 

[9] W. Klippel, J. Schlechter, “Measurement and Visualization of Loudspeaker Cone Vibration,” presented at the 121st Convention of the Audio Eng. Society, 2006, October 5-8 F.J.M. Frankort

 

 

 

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