Introduzione Audio [PDF]

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Arcangelo Monetti

Introduzione all’Audio

Arcangelo Monetti - berto

AUDIO Introduzione ai concetti fondamentali

Febbraio 2010

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Arcangelo Monetti

Introduzione all’Audio

Sommario Sommario.....................................................................................................................2 Sommario.....................................................................................................................2 Prefazione....................................................................................................................6 Glossario di base...........................................................................................................7 Fisica acustica.............................................................................................................14 Acustica..................................................................................................................14 Suono.....................................................................................................................15 Rumore...................................................................................................................16 Intensità: decibel.....................................................................................................17 Percezione...............................................................................................................19 RMS, valore efficace.................................................................................................22 Le onde ed il contenuto armonico.............................................................................23 inviluppo.................................................................................................................26 Timbro....................................................................................................................28 Rumore e contenuto spettrale...................................................................................29 Ottave e suddivisioni................................................................................................31 La musica ed i relativi termini...................................................................................32 Altezza ................................................................................................................32 Armonici..............................................................................................................33 Velocità................................................................................................................39 Direttività.............................................................................................................40 Dinamica.................................................................................................................41 Dinamica e spettro acustico: esempi......................................................................42 Riflessioni in ambiente.............................................................................................45 Riverbero ed Eco..................................................................................................47 Effetto Larsen..........................................................................................................49 Isolamento..............................................................................................................51 Fisiologia e psicoacustica ............................................................................................53 L’orecchio................................................................................................................53 La percezione..........................................................................................................55 Il suono...................................................................................................................57 Il rumore.................................................................................................................59 La percezione sonora...............................................................................................59 Psicoacustica...........................................................................................................62 Mascheramento....................................................................................................64 I domini, le ontologie e le interpolazioni.................................................................66 Pareidolie.............................................................................................................67 Audio analogico...........................................................................................................69 Dal realistico al finto................................................................................................69 Complessità e qualità...............................................................................................70 Elettronica di base...................................................................................................71 Tensione..............................................................................................................71 Corrente .............................................................................................................71 Impedenze ..........................................................................................................73 Circuiti.................................................................................................................74 Macchine elettriche: Trasformatori ........................................................................75 2

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Componenti attivi ....................................................................................................76 Diodo...................................................................................................................76 Componenti attivi a vuoto.....................................................................................77 Componenti attivi a stato solido ............................................................................79 Componenti Analogici Complessi...............................................................................81 L’amplificazione.......................................................................................................81 Amplificatore differenziale........................................................................................82 Amplificatore operazionale ...................................................................................83 La distorsione.........................................................................................................89 Circuiti elettronici.....................................................................................................91 Filtri attivi................................................................................................................94 Pendenza di un filtro ............................................................................................96 Filtri Butterworth / Bessel / Chebyshev..................................................................97 Qualità di un filtro.................................................................................................98 Dispositivi...................................................................................................................99 I trasduttori.............................................................................................................99 I microfoni.............................................................................................................100 Tecnologie dei microfoni.........................................................................................102 Condensatore.....................................................................................................104 Dinamico ...........................................................................................................104 Alimentazione e phantom....................................................................................104 Risposta in frequenza..........................................................................................105 Forma e uso.......................................................................................................107 Direzionalità e Diagrammi polari..........................................................................110 Ripresa stereofonica...........................................................................................113 Gli altoparlanti.......................................................................................................114 Caratteristiche....................................................................................................115 Unità specializzate .............................................................................................116 Audio professionale...................................................................................................118 Gli amplificatori......................................................................................................118 Distorsione armonica..............................................................................................119 HiFi.......................................................................................................................120 Gli altoparlanti.......................................................................................................121 Unità specializzate .............................................................................................121 Unità multivia.....................................................................................................122 Cabinet e caricamento del trasduttore..................................................................124 I Crossover............................................................................................................127 L’Impedenza..........................................................................................................129 Risposta in Frequenza............................................................................................130 Sensibilità...........................................................................................................131 La tenuta in potenza...........................................................................................132 La distorsione.....................................................................................................132 La fase...............................................................................................................133 Cavi e connettori....................................................................................................134 Cavi bilanciati e sbilanciati...................................................................................135 Connessioni........................................................................................................137 Effetto Pelle (Skin Effect)....................................................................................142 I connettori fisici: i disturbi..................................................................................143 I connettori audio..................................................................................................145 3

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Connettore Jack .................................................................................................145 Connettore XLR .................................................................................................147 Connettore DIN .................................................................................................150 Connettore RCA..................................................................................................153 Connettore SPEAKON..........................................................................................154 Le apparecchiature di controllo...................................................................................156 Mixer.....................................................................................................................156 Applicazioni........................................................................................................162 Live...................................................................................................................163 Registrazione......................................................................................................164 Conferenza.........................................................................................................165 PostProduzione...................................................................................................166 Mixer automatici e matrici.......................................................................................167 Matrici................................................................................................................167 Mixer automatici.................................................................................................168 Mixer intelligenti.................................................................................................169 Preamplificatori......................................................................................................170 Filtri ed equalizzatori.............................................................................................172 Equalizzatore grafico a terzi di ottava...................................................................172 Equalizzatore parametrico...................................................................................172 Compressori..........................................................................................................173 Anti-larsen ............................................................................................................177 I disturbi...............................................................................................................178 Meccanici...........................................................................................................178 Elettrici..............................................................................................................179 Elettronici...........................................................................................................179 Media ......................................................................................................................181 Disco analogico......................................................................................................181 Nastro magnetico ..................................................................................................183 Velocità del nastro..............................................................................................184 Formato del nastro.............................................................................................185 Musicassette..........................................................................................................185 Dat.......................................................................................................................186 CD........................................................................................................................187 DVD......................................................................................................................187 SA-CD...................................................................................................................188 MiniDisc.................................................................................................................189 DVD......................................................................................................................189 HD-DVD................................................................................................................190 Blue-ray Disk.........................................................................................................191 SD Secure Digital...................................................................................................192 Altri supporti digitali...............................................................................................193 Formati di media....................................................................................................194 Audio digitale............................................................................................................196 Campionamento.....................................................................................................197 Formato di un file PCM...........................................................................................199 Compressione........................................................................................................200 Codec....................................................................................................................200 Standard ..............................................................................................................202 4

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MP3 ..................................................................................................................202 AAC MPEG-4.......................................................................................................203 OGG-Vorbis........................................................................................................204 WMA..................................................................................................................205 Dolby Digital AC3................................................................................................206 APE Monkey’s Audio............................................................................................207 Meridian MLP......................................................................................................207 MusePack MPC...................................................................................................207 FLAC..................................................................................................................207 RealAudio...........................................................................................................208 ATRAC...............................................................................................................208 Speex................................................................................................................208 CELP..................................................................................................................209 G.729.................................................................................................................209 Tabella riassuntiva..............................................................................................210

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Prefazione Questo manuale nasce dalla necessità, alcuni anni or sono, di formare alcuni colleghi sulle tematiche dell’audio in senso generale, spaziando dalla fisica alla fisiologia all’elettronica analogica e digitale, in modo tale da predisporre un substrato culturale minimo e comune per la successiva preparazione sul campo nelle problematiche legate all’acquisizione ed elaborazione analogica e digitale del segnale audio, in particolare del parlato umano. Del corso tenuto a suo tempo mi erano rimasti solo alcuni appunti e l’indice; ho ritenuto interessante preparare questo manuale che penso possa essere utile a chi, con minime basi, decide di interessarsi all’argomento senza dover necessariamente conseguire una laurea.

Parte dei testi sono ripresi da siti internet ed ho ritenuto inutile nasconderlo modificandoli ad arte. Sicuramente questo testo contiene inoltre svariati errori ed imprecisioni e non vuole in nessun caso sostituire i testi veri che si possono consultare sui vari argomenti.

Per approfondimento, consiglio caldamente di iniziare con it.wikipedia.org

L’approccio all’argomento è generalista e volutamente non approfondito, in maniera tale che ciascuno possa trovare gli spunti e le informazioni che necessita, ed eventualmente l’occasione per approfondirle.

Glossario di base Questo glossario raccoglie definizioni minimali di fisica e di elettronica, in particolare rivolte agli appassionati ed agli inesperti ed in relazione alla catena di riproduzione del segnale audio. Alti La gamma di frequenze acute, generalmente il limite inferiore è pari a 1000Hz. Ampere La carica elettrica di base che indica quanta corrente scorre in un circuito elettrico. La quantità di corrente che scorre in un circuito se applichiamo la tensione di 1 Volt e la resistenza di 1 Ohm. Amplificatore Un apparecchio che incrementa l'ampiezza del segnale applicato al suo ingresso. Un apparecchio che genera un gran segnale in uscita avendo al suo ingresso un piccolo segnale. Ampiezza La misura dell'ampiezza di un segnale; normalmente viene misurato in V o in dB. Analizzatore di spettro in tempo reale Un apparecchio che su un display può visualizzare l'intensità delle varie frequenze costituenti lo spettro audio, spesso sostituito da un personal computer. Per rilevare l'acustica dell'ambiente si usa un microfono e come segnale il rumore rosa. Con esso è possibile incrementare notevolmente le performance di qualsiasi sistema modificando l’acustica complessiva per la massima linearità. Attivo Qualsiasi apparecchio che richiede di un'alimentazione per funzionare. Bassi La gamma di frequenze gravi, generalmente il limite superiore è pari a 100Hz. Bass Reflex Un sistema di diffusore che utilizzando un tubo od una porta accordata, permette all'aria all'interno della cassa di rinforzare l'emissione dell'altoparlante principale, mediante risonanza (accordo). Può essere chiamata anche vented o ported.

Capacità Un componente in cui l'impedenza scende con l'aumentare della frequenza. E' chiamato anche condensatore. Normalmente è usato nei crossover come filtro passaalto. Può essere usato per immagazzinare energia. Conduttore Un materiale che non oppone resistenza al passaggio della corrente. Constant Q / Q- costante Un'equalizzatore progettato per mantenere costante la banda passante al variare dell'ampiezza del segnale. E' usato, per esempio, su equalizzatori a terzi d'ottava in maniera da non interferire durante le regolazioni sulle frequenze adiacenti. Corrente alternata (AC) Una corrente prodotta quando gli elettroni si muovono prima in una direzione e poi nell'altra. Il segnale musicale di qualsiasi tipo è d'origine alternata (AC) Corto circuito Un punto di un circuito che è posto a massa (nella accezione normale, ma vale per ogni tipo di connessione occasionale) in maniera anomala. Ciò, se riguarda un segnale di informazione blocca la leggibilità del segnale, se invece riguarda un’alimentazione può causare un forte passaggio di corrente con conseguente surriscaldamento e bruciature se non si protegge l'alimentazione con dei fusibili. Decibel (abbreviato dB) l'unità di misura per descrivere un'intensità di segnale o di livello audio. Lavora in scala logaritmica, ed un incremento di 3 dB, significa un aumento del doppio, un aumento di 6 dB, un incremento del quadruplo, ecc. E' 1/10 di un Bel, dove il Bel è il logaritmo del rapporto tra due valori. Distorsione Qualsiasi differenza apportata alla forma del segnale originario, dopo che questo è passato attraverso i sistemi d'amplificazione. Dinamica La differenza (in Decibel) tra il segnale più basso ed il più alto che un sistema può riprodurre o che un brano musicale contiene. Nel caso di un sistema completo è la differenze tra il rumore di fondo e la massima potenza erogata dall'amplificatore. Nel caso di una registrazione, è la differenza tra il rumore di fondo e la massima quantità di segnale che il supporto usato può accettare.

Efficienza Generalmente s'intende come efficienza il rapporto tra l'energia totale applicata e l'energia prodotta. E' espressa in percentuale. Un altoparlante normalmente ha un'efficienza molto bassa, che va dal 1% al 3%. Significa che tra il 97% ed il 99% della potenza è dissipato in calore. Se si aggiunge a questo l’efficienza dell’intera catena di riproduzione il valore scende ancora. Equalizzatore E' un nome utilizzato per definire un controllo di tono multiplo, che può operare anche per correggere (equalizzare) i difetti acustici di una catena di riproduzione. F3 (misurata in Hz). La frequenza in cui la potenza del sistema si dimezza, ed indica anche il limite minimo riproducibile; espressa anche nella forma (più corretta): f(-3dB) Fattore di smorzamento La capacità di un'amplificatore di gestire correttamente il carico al fermarsi del segnale. Il fattore di smorzamento è calcolato dividendo il carico di lavoro (impedenza dell'altoparlante) con l'impedenza d'uscita dell'amplificatore. Migliora, evidentemente, all’aumentare del valore. Su un medesimo amplificatore, scende con la diminuzione dell'impedenza del carico (altoparlante, es. 8, 4 e 2Ohm). Filtro passa-banda Un filtro (attivo o passivo) che permette il passaggio solo di determinate frequenze, attenuando quelle inferiori e superiori. Frequenza centrale La frequenza in un segnale in cui si ha il picco di intensità, sia esso minimo o massimo. Ground Loop Indica quando due o più componenti elettronici sono connessi a masse con diversi potenziali. Quando questo accade, la leggera differenza di potenziale tra i due apparecchi genera dei fastidiosi ronzii e rumori. Hertz (Hz) L' unità di misura della frequenza. Un Hertz è uguale ad un ciclo di una semionda per secondo Impedenza (misurata in Ohm). La resistenza che un componente oppone al passaggio della corrente alternata

Infrasonico A volte detto subsonico. Sono le frequenze al di sotto dei 20Hz, sono inudibili dall'orecchio umano, ma causano il movimento accentuato e visibile dei subwoofer. Larghezza di banda L'area di frequenze comprese tra i punti a —3 dB di un filtro passa-banda. Gamma di lavoro di un componente elettronico. L (Misurata in milliHenry, mH). L'induttanza elettrica (p.es.: della bobina mobile dell'altoparlante). LED Light-Emitting Diode. Un piccolo semiconduttore capace di emettere luce istantaneamente. Non produce calore (a meno della dissipazione per il passaggio di corrente), perciò è molto utilizzato come sistema di segnalazione. Massa Questo termine indica il potenziale zero di un circuito elettrico. Una buona massa è fondamentale per le corrette prestazioni del sistema, come erogazione di potenza e assenza di disturbi. Microfono di misura Uno speciale microfono progettato per rilevare la risposta in frequenza. La sua risposta è per quanto possibile piatta. Eventuali irregolarità sono compensate da un'equalizzazione nel sistema di misura. Ottava E' un metodo utilizzato per suddividere lo spettro audio, di derivazione musicale, ed indica un intervallo di frequenze pari alla distanza (in Hz) tra una frequenza data ed il suo doppio (es. 440Hz e 880Hz). Parametrico Una tipologia di equalizzatore dove si può intervenire sia come regolazione della frequenza sia come ampiezza della stessa. E' normalmente usato su sistemi professionali, viste le prestazioni, la versatilità e la complessità nell'uso pratico, normalmente sostituito con equalizzatori grafici. Passivo Un componente che non richiede d'alimentazione. Normalmente presenta una perdita sul segnale manipolato

Perdita di linea La quantità di segnale persa a causa di componenti passivi sulla linea del segnale, quali crossover passivi o resistenze d'attenuazione Pink Noise — Rumore rosa E' un segnale dove sono riprodotte tutte le ottave dello spettro audio con la stessa intensità, ovvero con un decadimento di 3dB per ogni ottava in livello. E un segnale fondamentale per la taratura e la messa punto dei sistemi audio con l'aiuto di un analizzatore di spettro in tempo reale. Potenza (misurata in Watt RMS). Per quanto riguarda gli amplificatori, è normalmente misurata al clipping (ovvero alla massima elongazione del segnale in uscita, quando le creste del segnale sono tosate) o ad un distorsione nota (es. 10%) e su un carico dato (es. 8Ohm resistivi). Per gli altoparlanti è la potenza continua che una bobina mobile immersa nel suo campo magnetico, riesce a dissipare senza danneggiarsi. Punto a -3dB La frequenza in cui si ha un'attenuazione di 3 dB. Indica l'inizio o la fine di una risposta in frequenza o il punto di crossover. Q Fattore di qualità di un filtro. Rappresenta il rapporto tra la larghezza di banda e la frequenza centrale di un filtro, ovvero il rapporto tra la reattanza e la resistenza in un circuito in serie, ovvero il rapporto tra la resistenza e la reattanza in un circuito in parallelo. Resistenza Ciò che oppone resistenza al passaggio della corrente elettrica in un circuito, si misura in Ohm Ω. Resistenza in DC (Re) (misurata in Ohm). La reale resistenza di un'altoparlante misurata con un normale voltmetro. Normalmente è più bassa dell'impedenza nominale dell'altoparlante. Un altoparlante a 4 Ohm normalmente ha una resistenza in DC che va da 3.2 a 3.5 Ohm. Risonanza in aria libera (Fs o Fo) (misurata in Hz). La frequenza in cui l'altoparlante presenta la massima efficienza senza essere inserito in un sistema (cassa).

Semiconduttore Un materiale che secondo i casi si può comportare sia come un conduttore, sia come un isolante. Sono i componenti strutturali dei normali componenti elettronici attivi (transistor). Senso convenzionale di scorrimento della corrente Il senso che la corrente assume quando deve scorrere da un punto d'alto potenziale ad un punto con il potenziale inferiore. E’ il contrario del flusso elettronico della corrente. Serie Un circuito dove i componenti sono collegati uno dopo l'altro come in una catena. Serie-Parallelo (altoparlanti) La connessione di componenti sia in serie sia in parallelo tra loro, allo scopo di aumentare la tenuta in potenza rispetto al singolo componente (a parità di impedenza complessiva). Sound Pressure Level (SPL) La misura della pressione sonora, espressa in dB o in dBA (lineare o equalizzata secondo la percezione umana). SPLo (misurato in dB). L'efficienza di riferimento di un'altoparlante o di una cassa acustica misurata ad 1kHz ad un metro di distanza con 1 W. Tensione effettiva Un valore di tensione di un segnale in AC che abbia gli stessi effetti di un'equivalente tensione in CC. Conosciuta anche come RMS (Root Mean Square). Tweeter Piccolo altoparlante adatto a riprodurre le frequenze acute. Vas (misurato in litri o piedi cubi). Volume Acoustic Suspension. E' il volume dell'aria che ha la stessa cedevolezza delle sospensioni di un'altoparlante. Volt L'unità di misura della tensione elettrica (V) Watt

L'unità di misura per la potenza elettrica. 1 W, per definizione, si ha quando in un circuito scorre una corrente di 1 A con una tensione di 1 V. Woofer Normalmente un altoparlante di grande diametro adatto a riprodurre le frequenze basse.

Fisica acustica

Acustica

L'acustica (dal greco ἀκούειν, "udire") è quella branca della fisica che studia il suono, le sue cause - le onde di pressione -, la sua propagazione e la sua ricezione. In un'accezione più generale, l'acustica comprende anche lo studio degli infrasuoni e degli ultrasuoni, che non sono percepibili dall'uomo attraverso l'udito, ma si comportano - da un punto di vista fisico - nello stesso modo. Più in generale, si intende talvolta con acustica lo studio delle vibrazioni meccaniche nei mezzi materiali.

La pressione sonora è la variazione di pressione rispetto alla condizione di quiete causata da una perturbazione (onda sonora). La pressione sonora può essere misurata usando un microfono (misura in aria), un idrofono (misura in acqua) o un catodofono (in altri mezzi). L'unità di misura del Sistema Internazionale della pressione sonora è il Pascal (simbolo Pa). La pressione sonora istantanea è la variazione di pressione p0 causata da un'onda sonora in un certo istante e in un certo punto dello spazio. La pressione sonora efficace è il valore efficace, cioè la media quadratica della pressione sonora istantanea su un dato intervallo di tempo.

1 Pa = 1N / m2 1 1 1 1 1

bar millibar atmosfera fisica mm Hg psi

100 000 Pa 100 Pa 101 325 Pa 133,322 Pa 6 895 Pa

Livelli di pressione Pressione atmosferica su Plutone (approssimativo) L'aumento di pressione alla profondità di 1 mm sott'acqua Pressione atmosferica su Marte L'aumento di pressione alla profondità di 1 m sott'acqua, o la perdita di pressione quando si passa dal livello del mare a 1000 metri di altitudine La pressione atmosferica a livello del mare Pressione delle lance ad acqua in pressione Pressione in fondo alla Fossa delle Marianne, circa 11300 metri sotto l'oceano Pressione necessaria alla formazione di diamanti Pressione necessaria per creare nanotubi in carbonio

0,5 Pa 10 Pa 1 kPa 10 kPa 100 kPa 10 MPa 100 MPa 10 GPa 100 GPa

Suono

Il suono (dal latino sonus) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, che si propaga nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, è responsabile della creazione di una sensazione "uditiva" direttamente correlata alla natura della vibrazione. Come tutte le onde, anche quelle sonore sono caratterizzate da una frequenza (che nel caso del suono è in diretta, ma non esclusiva, relazione con la percezione dell'altezza) e un'intensità (che è in diretta, ma non esclusiva, relazione con il cosiddetto "volume" del suono). Inoltre, caratteristica saliente delle onde sonore è la forma d'onda stessa, che rende in gran parte ragione delle differenze cosiddette di timbro che si percepiscono tra diverse tipologie di suono. Si può distinguere il concetto di suono da quello di rumore. Il suono è in generale una sensazione che nasce nell'uomo quando una perturbazione meccanica si propaga in un mezzo elastico facendolo vibrare. Per questa ragione molto spesso abbiamo a che fare con

suoni i cui stimoli acustici hanno le componenti in frequenza (vedi trasformata di Fourier) multipli della frequenza fondamentale. Il rumore è comunemente identificato come una sensazione uditiva sgradevole e fastidiosa o intollerabile. L'orecchio umano è più sensibile agli stimoli acustici le cui frequenze siano comprese fra i 16 Hz e i 20 kHz; nella realtà quotidiana la maggior parte degli umani occidentali, giovani ed in buona salute, hanno una banda uditiva compresa tra 80Hz e 15KHz ed una soglia uditiva di +20dB.

Per fenomeni periodici si può operare con il concetto di onda e quindi di lunghezza d’onda, fase, frequenza, periodo, etc.

Rumore Il rumore è un segnale di disturbo rispetto all'informazione trasmessa in un sistema. Come i suoni, il rumore è costituito da onde di pressione sonora. Il rumore è prodotto da innumerevoli fonti naturali ed artificiali. In generale le sorgenti di rumore (o di suono) sono: • corpi solidi oscillanti; • colonne d'aria oscillanti; • corpi in movimento rapido; • gas rapidamente fuoruscenti; • incrementi rapidi di pressione; • la voce umana, complicata combinazione di corpi solidi oscillanti e colonne d'aria oscillanti.

Generalmente i rumori sono suoni caratterizzati da un andamento di pressione non periodico e armonicamente molto complesso, ma spesso la percezione di suono oppure di rumore è soggettiva.

Intensità: decibel

Il decibel (simbolo dB) è un decimo di Bel (simbolo B) : 10dB = 1B. Il Bel è ormai caduto in disuso, ma rimane l' unità di misura fondamentale da cui il "deciBel" deriva. Il Bel e il suo sottomultiplo decibel sono unità di misura di tipo logaritmico: le corrispondenti misure sono numeri puri, e precisamente un determinato logaritmo del rapporto fra due grandezze omogenee (esprimibili cioè nella stessa unità di misura, e tali, quindi, che il loro rapporto è un numero puro adimensionale). Le unità di misura B e dB sono anch' esse adimensionali, e quindi non specificano una grandezza fisica come il metro o il watt: ma devono essere indicate nella misura, perché la loro conoscenza è necessaria (e sufficiente) per risalire dalla misura al rapporto originale. in acustica, si definisce il livello di intensità acustica (Intensity Level, IL) come rapporto in dB fra il flusso di energia I e il flusso I0 della soglia di udibilità, pari a 20μPa = 20x10-6 Pa, ovvero 10-12 W/m2 (una zanzara a 3 metri). IL = 10 * log10 (I/I0) il livello di pressione sonora viene definito invece come dBSPL SPL = 20 * log10 (P/P0) che non è il rapporto in dB fra la pressione sonora p e la pressione sonora corrispondente alla soglia di udibilità p0, ma fra i corrispondenti flussi di energia (calcolati a parità di mezzo trasmissivo). L’intensità misura l’energia convogliata dall’onda nell’unità di tempo. Inoltre è direttamente proporzionale al quadrato dell’ampiezza e al quadrato della frequenza. In base all’energia convogliata nell’unità di tempo sulla membrana del timpano, deriva che il suono appaia più o meno intenso.

La tabella che segue compara ed analizza vari fenomeni acustici ed i relativi dBspl e la pressione rappresentata in Pascal. Si noti che la massima pressione in aria è pari a 194dB (livello di saturazione delle molecole); livelli superiori sono possibili solo in presenza di una atmosfera modificata (p.es.: particelle d’acqua o vulcaniche). Il livello fissato come 0dB spl (minimo rumore percettibile) è purtroppo molto inferiore alla normale sensibilità degli umani. dBSPL 300 250 194 185 180 168 150 140 130 120 110 100 90 85 80 70 60 50 40 30 20 16 0

Sorgente Krakatoa (1883) [in atmosfera modificata] All'interno di un tornado [in atmosfera modificata] Massimo livello in aria Lesioni istantanee al tessuto muscolare Motore di un missile a 30 m Esplosione del Krakatoa a 160Km Colpo di un M1 Garand a 1m Motore di un jet a 30 m Colpo di fucile a 1 m Soglia del dolore Concerto Rock; Discoteca Danneggiamento dell’udito a breve termine Motosega a 1 metro Jet a 100m Martello pneumatico non silenziato a 2 m Camion vecchio e pesante a 1 m Danneggiamento dell’udito a lungo termine Aspirapolvere industriale a 1 m Traffico intenso a 5 m; radio ad alto volume Ufficio rumoroso, radio Ambiente domestico; teatro a 10 m Quartiere abitato di notte Sussurri a 5 m Respiro umano a 3 m Soglia dell'udibile Minimo suono udibile

Pa (pressione)

101325 50000 20000 5000 630 200 100 20 6 2 0.8 0.6 0.2 0.02 0.002 0.0002 0.00002

Percezione La percezione del suono da parte dell’uomo è funzione della pressione acustica (intensità) e della frequenza del fenomeno.

Le curve qui rappresentate sono molto indicative e, quantomeno, datate. La normale percezione deve essere spostata, attualmente, almeno di 20dB verso l’alto, a causa del danneggiamento dovuto al rumore ed alla disabitudine al silenzio. In sintesi, la percezione è quell’area udibile (in termini di frequenza e intensità, tra 64 e 8000 Hz, e tra 30 e 130 dB) da un essere umano. Al di sotto di questi margini vi sono le soglie di percezione (udibilità) ed al di sopra vi è la soglia di dolore, dove il suono provoca direttamente una percezione dolorosa e non uditiva.

Le forme d’onda, lo spettro acustico Un’oscillazione del campo acustico, di tipo regolare e periodico, produce una variazione della pressione con forma sinusoidale. Ricordando la trigonometria, equivale alla visione del percorso di un oggetto sul bordo di una circonferenza vista in prospettiva.

Una sinusoide è la rappresentabile come visualizzazione di un moto costante ed uniforme in un percorso definito senza discontinuità o interruzioni, ovvero come segue:

Il contenuto di un’onda è esprimibile in: • valore di picco • valore efficace o RMS • valore medio

Il rapporto tra valore di picco, efficace, RMS e medio dipendo dalla forma dell’onda analizzata.

RMS, valore efficace

Per segnali sinusoidali, il valore efficace equivale al valore che avrebbe una corrente continua che causasse gli stessi effetti termici del valore considerato. Se si applica il procedimento ad un segnale continuo si può facilmente constatare che il risultato coincide con lo stesso valore continuo.

Risolvendo analiticamente la funzione per un valore sinusoidale, si ottiene la formula:

che mette in relazione il valore efficace Ieff con il valore di picco Imax.

Le onde ed il contenuto armonico

La sovrapposizione di onde crea una risultante pari alla sommatoria dei livelli puntuali. Un’onda sinusoidale è emessa da strumenti quali il flauto. Onda quadra pura (con le due semionde pari al 50%): solo le armoniche dispari

Per avere la sensazione del suono, si immagini un clarino o una chitarra elettrica.

Onda triangolare regolare: tutte le armoniche, di intensità esponenzialmente decrescente

Onda a dente di sega: armoniche pari e dispari ad intensità ognuna pari alla metà della precedente.

Per avere un’idea del suono risultante si immagini il suono di un organo a canne.

Onda a dente di sega semplificata (fondamentale e due armoniche)

Onda arbitraria: fondamentale con seconda armonica e suono non correlato.

inviluppo

La variazione di intensità è definita come inviluppo, ovvero come insieme delle tangenti alle curve di intensità.

I periodi dell’inviluppo sono suddivisi in: • Attacco • Primo Decadimento • Stato stazionario • Decadimento finale o Rilascio Nella terminologia inglese: • Attack • Decay • Sustain • Release Da cui l’acronimo ADSR, che definisce anche l’inviluppo ed I sistemi relativi.

L’inviluppo è quindi la forma esteriore del livello del suono nel corso del tempo.

Il timbro, invece, è correlato sia al contenuto spettrale:

che alla sua modificazione nell’arco del tempo.

Timbro

Il timbro, quindi, è definibile come contenuto armonico e relativa variazione di densità spettrale nel tempo. Lo spettro di un suono, per un singolo istante, è quindi definibile come insieme delle frequenze che costituiscono il suono. Ampiezza

50

100 150 200 300 350 400 450 500 Frequenza

Mediante l’analisi FFT (trasformata veloce di Fourier, Fast Fourier Transform) si può avere visione del contenuto spettrale di un suono. La visualizzazione in terzi d’ottava permette una visione intuitiva dell’energia nel dominio delle frequenze. Nella figura un rumore arbitrario rilevato in ambiente.

Rumore e contenuto spettrale Rumore bianco: livelli costanti per frequenze diverse

Rumore rosa: livelli decrescenti di -3dB per raddoppio di frequenza (ottava) = energia costante

Rumore marrone: livelli decrescenti di -6dB per raddoppio di frequenza (ottava) Il rumore bianco visto in un analizzatore di spettro in terzi d’ottava e con espressione logaritmica in energia

Come si nota, cresce di 3dB per ottava Il rumore rosa visto in un analizzatore di spettro in terzi d’ottava e con espressione logaritmica in energia

Come si nota è costante nel dominio delle frequenze. I rumori bianco e rosa sono molto usati per le operazioni di preparazione e taratura di sistemi ed ambienti.

Ottave e suddivisioni

Le ottave standard sono: 32 64 120 250 500 1000 2000 4000 8000 16000

Non udibile Bassi Medio-bassi Medi Medio-alti Alti

Non udibile

Per ottava si intende l’intervallo pari al raddoppio/dimezzamento della frequenza. L’andamento dei livelli e delle potenze per frequenza si esprime in dB/oct. In musica corrisponde all’intervallo tra una nota e la prima uguale (es. La3 e La4) successiva/ precedente. Sulle tastiere temperate corrisponde all’intervallo formato da 12 note diverse (es. Do – Si: do, do#, re, re#, mi, fa, fa#, sol, sol#, la, la#, si). In relazione ai suoni ed alla loro altezza (frequenza), sono molti i termini usati nella terminologia corrente mutuati dalle fenomenologie luminose; si veda ad esempio, scuro / chiaro = basso / alto (riferito a tono, frequenza) = grave / acuto = caldo / freddo, etc. Per i paralleli tra suono e colore, tra acustica e luce, si vedano i vari scritti di diversi autori in merito. Tra i più noti autori, possiamo ricordare Isaac Newton, Johann Wolfgang von Goethe, Vasilij Vasil'evič Kandinskij e Arthur Schopenhauer. Il più noto degli scritti è Della Teoria dei Colori (in tedesco Zur Farbenlehre) che è un saggio scritto da Johann Wolfgang von Goethe nel 1810.

La musica ed i relativi termini

La musica è l'arte della generazione e della combinazione di suoni che, secondo determinate leggi fisiche e convenzioni formali, esprimono e suscitano uno stimolo fisico ed emotivo attraverso l'apparato uditivo. La generazione dei suoni avviene, di norma, mediante la voce umana (canto) o mediante mezzi artificiali (strumenti) che, sfruttando i fenomeni dell'acustica, provocano la percezione uditiva e l'esperienza emotiva voluta dall'artista. Musica come suono: Una delle più comuni definizioni di musica è di quella di arte del suono organizzato, o - più specificatamente - di arte del produrre significati e sensazioni, più o meno complessi - e comunque di natura volontaria - organizzando suoni e silenzio. Simili definizioni - comunemente accettate - sono state ampiamente adottate sin dal Diciannovesimo secolo, quando si iniziò a studiare scientificamente la relazione tra il suono e la percezione. La teoria musicale è la parte della musica che specifica il modo di descrivere suoni, (consistenti in onde sonore di compressione di un mezzo trasmissivo - che in genere è l'aria) e descrive le relazioni tra i suoni e la percezione degli ascoltatori (lo studio di come gli esseri umani interpretano i suoni è chiamato invece psicoacustica). Spesso gli aspetti fondamentali del suono e della musica sono descritte come altezza, durata, intensità, e timbro. Altezza, intensità, timbro e durata sono in realtà quattro parametri del suono, ai quali va aggiunto il quinto che è la sonorità, ovvero quello che consente al suono di esistere, mentre l'altezza gli consente di essere notato, l'intensità di essere annotato, il timbro di essere connotato e la durata di essere denotato. Altezza = frequenza (base) Durata = durata, tempo Intensità = livello acustico Timbro = contenuto spettrale e componente di rumore, considerato nel dominio del tempo.

Altezza

Il la è la sesta nota musicale nella scala diatonica di do, l'unica scala maggiore priva di diesis e di bemolle. La frequenza del la sopra il do centrale (la4) è definita per convenzione a 440 hertz, valore

stabilito dalla conferenza internazionale di Londra del 1939. In precedenza, si usavano spesso le frequenze di 432 e 435 hertz, ma a seconda del luogo, del periodo e del tipo di musica il la4 poteva variare tra i 415 e 445 hertz, andando a toccare quindi anche l'odierno la bemolle. Le frequenze di tutte le altre note sono calcolate a partire dal la4. Il la4 è di fondamentale importanza, perché è la nota dei diapason. Al di fuori dell'ambito musicale, numerose applicazioni tecniche usano il la3 come "frequenza standard", come il monoscopio televisivo e il tono di libero del telefono. Nella notazione in uso nei paesi di lingua inglese e tedesca, il la corrisponde alla nota A.

Armonici

Gli armonici naturali sono i suoni (ipertoni) emessi in genere dagli strumenti. Un suono prodotto da un corpo vibrante non è mai puro, ma è costituito da un amalgama in cui al suono fondamentale se ne aggiungono altri più acuti e meno intensi: questi sono gli armonici, che hanno una importanza fondamentale nella determinazione del timbro di uno strumento e nella determinazione degli intervalli musicali. I suoni armonici corrispondono ai possibili modi naturali di vibrazione di un corpo sonoro (secondo un moto armonico). Ad esempio, se una corda di lunghezza L emette un Mi (primo armonico), la stessa corda vibra con meno intensità anche a frequenza doppia (pari alla lunghezza L/2, secondo armonico), emettendo un Mi all'ottava superiore, e così via, suddividendo la lunghezza d'onda in multipli interi L/3, L/4, eccetera.. Lo stesso principio vale per le colonne d'aria che vibrano all'interno di tubi (es. negli ottoni).

Fondamentale

Secondo 2f=L/2

Terzo 3f=L/3

Quarto 4f=L/4

Quinto 5f=L/5

Sesto 6f=L/6

Settimo 7f=L/7

Nell’esempio: la fondamentale è un DO, seguono: DO (2) , SOL (3) , DO (4) , MI, SOL, SIb, DO, RE, MI, FA#, SOL, LAb, SIb, SI, DO.

Si noti come le note risultanti dagli armonici siano molto ravvicinate, se poste su un’unica ottava, fenomeno che può dare origine a fastidiose dissonanze:

Nella teoria musicale e, più specificatamente, in quella del suono, si parla di battimenti in riferimento all'effetto per l'orecchio umano di due onde sonore, pure posizionate vicine tra di loro, e di frequenza molto vicina, sempre tra di loro. Entrando più in dettaglio, conviene fare qualche esempio. Prendiamo una chitarra e suoniamo ad esempio le due corde più alte, il si e il mi. Il nostro orecchio sente le due note distintamente, e si accorge che il suono complessivo è anche piacevole all'orecchio. Supponiamo ora di cominciare a tendere sempre di più la corda del si, per alzarne la frequenza e arrivare al mi.

Per un po' continueremo a sentire due suoni più o meno armonici. Quando le due corde avranno la stessa frequenza, sentiremo naturalmente un solo suono; ma subito prima ci sarà uno strano effetto: cominceremo a sentire un solo suono, ma il suo volume ci sembrerà cambiare nel tempo, ora più forte e ora più piano. L’effetto ottenuto è il battimento, ovvero la creazione di una differenza tra due suoni. In linea generale, il battimento è la composizione di due suoni secondo la definizione:

dati due suoni A e B, puri e sinusoidali, la loro composizione genera C e D, dove C è la somma delle frequenze di A e di B e D è la differenza in valore assoluto tra le due frequenze di A e B. Come esempio: A=440Hz, B=442Hz  C=882Hz, D=2Hz L’effetto acustico è la composizione delle singole sinusoidi formanti ovvero un’onda composita (440 | 442 | 882 | 2) ovvero un suono che cambia di intensità, di fase e di timbro ogni mezzo secondo (ovvero a 2Hz).

Il suono nello spazio Il suono è una perturbazione della pressione atmosferica. Possiamo immaginare la variazione di densità sul piano delle pressioni istantanee nello spazio e quindi nel tempo.

La lunghezza d’onda “λ”, fissata la frequenza “f” del moto armonico della sorgente, dipende dal valore della velocità c0 secondo la relazione:

c0 λ = f

Nella figura sono indicate le corrispondenze tra frequenza in Hz e la lunghezza d’onda in metri, in aria libera standard, ovvero con una velocità nel mezzo pari a 340 metri per secondo.

Propagazione Nell’aria libera il suono si propaga –teoricamente- uniformemente in tutte le direzioni, e la sua intensità diminuisce all’aumentare della distanza dalla sorgente. Nella figura osserviamo che la stessa potenza sonora passa attraverso A1, A2, A3, A4, ma le aree aumentano proporzionalmente al quadrato del raggio. Questo significa che la potenza del suono per unità di area (intensità sonora) diminuisce proporzionalmente al quadrato del raggio. La Legge dell’inverso del quadrato stabilisce che l’intensità del suono in campo libero è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. Se la distanza raddoppia, l’intensità si riduce a 1/4; se triplica, l’intensità si riduce a 1/9; se quadruplica, l’intensità si riduce a 1/16.

Velocità La radiazione elettromagnetica (luce) si propaga nel vuoto alla velocità di 299.792,458 km/sec. Il suono si propaga nell'aria alla velocità di: • 344 m/sec in aria secca a 20° (331.5 m/sec a 0° / 349.5 m/sec a 30°) • 1495 m/sec in acqua (distillata a 20°) • 5930 m/sec in ferro La velocità è funzione della elasticità e della densità del mezzo trasmissivo.

Ovviamente se i mezzi trasmissivi sono diversi le velocità cambiano. Cambiano inoltre in base alla temperatura ed alla densità Velocità in materiali diversi a temperatura e pressione costante: 20°C / 1 atmosfera. Materiali Aria Acqua Ghiaccio Vetro Acciaio Piombo Titanio PVC (morbido) PVC (duro) Calcestruzzo Legno: Faggio Pietra: Granito Pietra: Peridotite Sabbia

Velocità del suono [m/s] 343 1.480 3.200 5.300 5.200 1.200 4.950 80 1.700 3.100 3.300 6.200 7.700 10-300 (dipende dal tipo)

Influenza della temperatura dell'aria sulla velocità del suono in aria libera T in °C −10 −5 0 +5 +10 +15 +20 +25 +30

a in m/s 325,4 328,5 331,5 334,5 337,5 340,5 343,4 346,3 349,2

Direttività La trasmissione del suono non ideale è funzione delle caratteristiche fisiche dell’emettitore di suono, della sua forma e della sua interazione con il mezzo trasmissivo, ovvero esiste sempre una forma di emissione caratteristica, cioè non sferica e non puntiforme (come il caso ideale).

Curva di emissione di un violino.

Curva di emissione di una cassa acustica di buona qualità.

Dinamica La dinamica rappresenta la differenza tra il massimo livello sonoro ed il livello di rumore di fondo (ground-floor noise), ovvero il minimo livello riscontrabile. RANGE DINAMICI TIPICI

dB

Organo Orchestra sinfonica Pianoforte Voce umana Complesso rock Registratore magnetico digitale a 16 bit Amplificatore Registratore professionale con Dolby A Disco di acetato Registratore professionale Registratore a cassette con Dolby B Trasmettitore radio FM Disco stampato Registratore a cassette Trasmettitore radio AM

>75 75 70 60 30 90 75 75 74 60 60 55 50 40 30

Nella • • •

figura si notano: livello del rumore di fondo fenomeno acustico e suo spegnimento coda acustica e ritorno al rumore di fondo

Nella figura successiva si vede la coda sonora di un suono in ambiente non rumoroso dovuto alla persistenza da riverbero; il riverbero diviene quindi rumore d’ambiente a causa dei suoni prodotti nel locale/ambiente.

Dinamica e spettro acustico: esempi Come esempio di dinamica e distribuzione spettrale alcune visualizzazioni in Audacity. Hard Rock: (Deep Purple)

Parlato: (voce maschile che legge un testo)

Musica classica: (F.Chopin, piano solo)

Si noti che variano sia la dinamiche che il contenuto spettrale nel tempo, rappresentato da colori che vanno dal bianco, al rosso, all’azzurro al variare del livello di intensità nella singola banda. Le bande sono rappresentate sulle ordinate ed il tempo sulle ascisse.

Trasmissione del suono, direttività, interferenza.

Un onda incidente su un corpo (parete) provocherà, in base alle caratteristiche del materiale incontrato: • • •

una riflessione una trasmissione un assorbimento

La quantità di ciascuno dei tre valori e la relazione tra di loro dipende dalla forma e dalla natura del corpo. Riflessione sul piano Un’onda incidente su un piano viene teoricamente riflessa integralmente:

quindi l’intensità I incidente è pari all’intensità R riflessa, rispetto alla Normale sul Piano. In realtà, oltre alle ovvie conseguenze dell’interferenza con il piano, vi sono anche quelle provocate dalle riflessioni e quindi alla interazione tra l’onda incidente e quella riflessa, che possono dare origine a fenomeni costruttivi o distruttivi.

analizzando l’interferenza:

Riflessione su curve Il fenomeno delle interferenze è ancora più evidente nel caso di curve, dove possono formarsi aree di concentrazione (strutture concave) ed aree di diffusione (strutture convesse).

Le onde sonore si comportano come tutte le onde incidenti, ovvero con i classici rimbalzi ed angoli rispetto alla normale. L’uso di strutture concave e convesse è noto da millenni per il rafforzamento, la dispersione e la diffusione del suono.

Riflessioni in ambiente

Un suono prodotto in un qualunque ambiente è soggetto alle riflessioni sulle pareti ed a tutti i fenomeni correlati ad esse. Il suono, in ambiente chiuso appare, a causa delle riflessioni causate dalle pareti, provenire da più direzioni e con distanze diverse.

Soffitto dis tanza s orgente-ricevitore

S d

R

Pavimento

Il tempo di trasferimento del suono da S a R è pari a t1 (tempo di percezione) – t0 (tempo di emissione). Il tempo t1 è calcolabile come d/c dove d=distanza e c=velocità del suono nel mezzo (343 m/sec in aria). In ambiente saranno possibili riflessioni almeno sul soffitto e sul pavimento. Il primo suono è quindi d ed è diretto. S2 d2

Soffitto

S d

R Pavimento

S1

d1

Si creeranno quindi delle percezioni di distanze temporali e fisiche (S1, d1, S2, d2), dipendenti dalla forma dell’ambiente. In base all’assorbimento dell’ambiente avremo quindi la creazione di una coda sonora, formata dalle riflessioni del suono. Il secondo suono è d1 che possiede un tempo superiore a d ed una direzione dal basso. Il terzo suono percepito è d2 che possiede un tempo superiore a d1 ed una direzione dall’alto. Si noti come d2 appaia come distante il doppio del reale e proveniente dal di fuori del locale.

Riverbero ed Eco L’effetto di distanza e direzione deformata è alla base degli effetti di riverberazione e di eco. La riflessione del segnale all’interno di un ambiente provoca: • riflessioni diverse, come intensità e tempo • una coda sonora continua, provocata dalla persistenza delle riflessioni

Si parla di riverbero in presenza di riflessioni al di sotto del campo percettivo umano, di eco al di sopra di essa. Quindi, si definisce riverbero il suono riflesso ad una distanza T1 inferiore a 100 millisecondi (tempo della percezione media umana) e eco il suono riflesso con tempo superiore. Essendo la velocità del suono nell’aria pari a 340 m/s, un locale deve, per originare un eco, avere una distanza tra le pareti non inferiore a 17 metri.

Un ambiente tende a generare una coda ambientale di riverbero che modifica la percezione delle distanze e delle intensità sonore. Si noti che il livello non decade in campo riverberante in maniera lineare rispetto alla distanza –come in campo libero- ma tende ad una costante indipendente dalla distanza dell’uditore. Tale dato dipende dalla dimensione dell’ambiente e dall’assorbimento complessivo.

Sono definiti ed usati i parametri T20 e T60 ovvero i tempi relativi al livello -20dB e -60dB rispetto al picco sonoro stimolante una coda di riverbero (norme ISO3382). Come indicazione di T60 ottimale, per la percezione dell’ambiente: • • • • •

aule: 500-1000millisecondi cinema: 800millisecondi teatri: 1.3-1.5secondi sala di concerto: 1.7-2.3secondi chiesa: 8-10secondi

Effetto Larsen Nel caso di amplificazione in ambiente reale possono avvenire fenomeni Larsen (feedback acustico). La causa è sempre l’innesco di un’oscillazione tra una sorgente amplificata che viene stimolata dal segnale amplificato di se stessa. L’innesco può avvenire ad una qualunque frequenza, ma solo nel caso in cui vi sia una possibilità di risonanza dovuta al sistema (microfono + amplificatore + altoparlante + ambiente + oggetti + …). La frequenza di innesco può variare, ovviamente, anche in base alla temperatura del mezzo, ovvero dell’aria.

Per l’eliminazione del fenomeno si usano sistemi diversi. In generale la teoria è sintetizzata dalla figura, ovvero amplificazione con innesco, rilevazione del fenomeno, retro-reazione e decorrelazione.

Nella figura un filtro anti-larsen automatico con filtro a pettine auto-adattativo. Si nota la presenza di vari filtri notch (elimina banda).

Isolamento

L’isolamento è fattore del materiale, della forma e della dimensione. Potere fonoisolante, in funzione della frequenza, per materiali e strutture diverse Materiale Frequenze di centro banda[Hz] Kg/m² 125 250 500 1000 2000 4000 Vetro (4 mm) in infisso di alluminio 10 10 11 12 12 13 apribile Lastra di vetro (4 mm) 10 20 22 28 34 34 29 Lastra di vetro (6 mm) 15 18 25 31 36 30 38 Lastra di vetro (12 mm) 30 26 30 35 34 39 47 Lastra di vetro-aria-vetro sigillata 22 17 24 37 41 38 (4/12/4) Lastra di vetro-aria-vetro sigillata 25 22 33 41 44 44 (4/12/12) Vetri doppi montati su infissi 29 35 45 56 52 51 (6/150/4) Vetri doppi montati su infissi 27 33 39 42 46 44 (4/200/4) Vetri su ante apribili da 25 mm 15 23 34 32 28 32 (4/200/4) Singolo laterizio intonacato da 240 34 37 41 51 58 60 entrambi i lati Muratura, doppia parete intonacata su 480 41 45 48 56 58 60 due lati Muratura leggera intonacata sui due 32 34 37 45 52 57 lati (100 mm) Muro leggero in laterizi liscio 250 35 38 43 49 54 58 (200 mm) Muro leggero intonacato su due lati 37 39 56 53 57 61 (200 mm) Muro in laterizi, tre strati, intonacato 720 44 43 49 57 66 70 su due lati Due strati di calcestruzzo, 100 mm, 35 41 49 58 67 75 cavità 50 mm Condotto rivestito gesso-lana minerale 30 11 13 12 12 12 21 Truciolato 50 mm, laminato dal lato 28 26 28 30 32 33 36 sorgente Truciolato 100 mm, laminato dal lato 50 28 28 32 34 33 38 sorgente Porta di legno pieno, 43 mm 28 17 21 26 29 31 34 Porta di acciaio, 50 mm, ben sigillata Porta acustica di metallo, doppi sigilli Pavimento in calcestruzzo rinforzato (200 mm) Pavimento in calcestruzzo rinforzato (300 mm)

Media 11 28 29 35 30 35 44 39 27 47 61 43 46 49 55 52 12 30 31 26

460

21 36 42

27 39 41

32 44 50

34 49 57

36 54 60

39 57 65

32 47 53

690

40

45

52

59

63

67

54

È importante associare al materiale in quanto tale, una forma in grado di limitare le riflessioni (deviandole o disperdendole), intrappolare le onde che si desidera eliminare e quindi dissipare l’energia.

Un isolante riflette, assorbe e trasmette energia acustica, nei modi tipici del materiale, della sua forma e della sua massa.

IRIFLESSA IINCIDENTE

ITRASMESSA

IASSORBITA

Ci può essere quindi: • energia incidente • energia assorbita • energia riflessa • energia trasmessa

R=20dB LI=80dB

LT=60dB

Fisiologia e psicoacustica L’orecchio

L'orecchio esterno è formato dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo (meato acustico). Il padiglione auricolare è costituito da cartilagine rivestita di pelle. La sua funzione primaria è infatti quella di raccogliere i suoni per convogliarli all'interno del condotto uditivo. Il condotto uditivo è una galleria dalle pareti lisce, che secerne un cerume protettivo destinato a trattenere le impurità che entrano nell'orecchio. Al termine del condotto uditivo si trova il timpano che è una sottile membrana sensibile alle onde sonore che vengono a infrangersi su di essa. Il timpano trasforma i suoni in vibrazioni che vengono trasmesse a tre ossicini, i più piccoli del corpo umano: il martello, direttamente a contatto col timpano, l'incudine e la staffa. I tre ossicini dell'udito sono contenuti in una cavità che comunica all'esterno attraverso un piccolo canale lungo 3-4 cm, la Tromba di Eustachio, che sbocca nella faringe. In questo modo l'orecchio è collegato con la gola, per mantenere in equilibrio la pressione dell'aria al di là e al di qua del timpano.

I recettori acustici sono posti nella parte membranosa ossea e sono simili ai recettori dell'equilibrio. Presentano superiormente una membrana che, sotto la pressione dell'endolinfa –il liquido qui presente-, stimola i recettori. Gli impulsi nervosi provenienti dalle cellule cigliate e diretti al cervello viaggiano all'interno di fasci di fibre nervose. Il cervello ha il compito di interpretare i segnali che gli pervengono. Ciò consente di dare un significato al messaggio sonoro. Infatti esiste una memoria uditiva che ci permette di riconoscere un rumore o una musica. Ma abbiamo anche la capacità di cancellare segnali superflui, ad esempio dopo un po' non sentiamo più il rumore di una cascata o il frastuono del traffico.

Zone di sensibilità della coclea

La percezione La sensazione può essere definita come la modificazione dello stato del nostro organismo a causa del contatto con l'ambiente. Gli stimoli offerti dall'ambiente vengono catturati dai nostri organi di senso, ognuno dei quali adibito alla ricezione di uno stimolo particolare. I canali sensoriali sono: • udito, • vista, • olfatto, • gusto, • tatto, • cinestesia ed equilibrio, • sensazione di dolore. Ognuno di essi si avvale per la ricezione dei segnali di specifici organi di senso (gli occhi ad esempio ci consentono la visione di ciò che ci circonda). La percezione è definibile come il processo psichico che opera la sintesi dei dati sensoriali in forme dotate di significato. Gli assunti allo studio della percezione variano a seconda delle teorie e dei momenti storici che si susseguono. La legge di Weber-Fechner fu uno tra i primi tentativi di descrivere la relazione tra la portata fisica di uno stimolo e la percezione umana dell'intensità di tale stimolo. La scoperta della relazione esistente tra stimolo e percezione è stata fatta da Weber in seguito all'esperimento consistente nell'incrementare di una certa quantità il peso di un oggetto sostenuto da un uomo. La percezione di tale stimolo (l'incremento di peso) è risultata essere tanto meno accentuata, quanto più pesante era l'oggetto. In generale viene espressa come:

Dove p è la percezione, S è lo stimolo e S0 rappresenta la soglia di percezione. La relazione che lega l'intensità dello stimolo alla percezione che si ha di esso è quindi di tipo logaritmico. Ossia la percezione è proporzionale (secondo un fattore k) al logaritmo dello stimolo.

Soglie di riferimento. Per ciascuno dei 5 sensi sono definite delle soglie assolute di percezione: • • • • •

Vista: percezione della luce di una candela a 48 km di distanza, in una notte serena e limpida Udito: percezione di un orologio meccanico a 6 metri di distanza all'interno di una stanza silenziosa Gusto: un cucchiaino di zucchero in 7,5 litri di acqua Olfatto: una goccia di profumo in appartamento di tre stanze Tatto: la pressione di un'ala di ape fatta cadere da 1 cm di altezza

Per comprendere il mondo circostante si tende a identificarvi forme secondo schemi che ci sembrano adatti - scelti per imitazione, apprendimento e condivisione - e attraverso simili processi si organizzano sia la percezione che il pensiero e la sensazione; ciò avviene di solito del tutto inconsapevolmente. Le regole principali di organizzazione dei dati percepiti sono: • • • •

Buona forma (la struttura percepita è sempre la più semplice) Prossimità (gli elementi sono raggruppati in funzione delle distanze) Somiglianza (tendenza a raggruppare gli elementi simili) Buona continuità (tutti gli elementi sono percepiti come appartenenti ad un insieme coerente e continuo) • Destino comune (se gli elementi sono in movimento, vengono raggruppati quelli con uno spostamento coerente). Queste regole sono utili per spiegare le diverse forme delle illusioni create dalla percezione come conseguenza di fenomeni fisici.

Il suono

L'orecchio umano può udire i suoni nell'intervallo dai 20 Hz ai 20.000 Hz. Questo limite superiore tende ad abbassarsi con l'avanzare degli anni: molti adulti non sono in grado di udire frequenze oltre i 16 kHz. Possiamo anche dire che la banda utile di persone urbanizzate, di eta media (compresa tra 20 e 40 anni), è tra circa 80Hz e 15KHz, con una sensibilità non inferiore ai +20dB. Per poter dare dei riferimenti, ricordiamo che il rombo di un trasformatore di alimentazione è 50Hz (la frequenza dell’alimentazione elettrica di rete) ed il fischio prodotto dal trasformatore di riga dei televisori con tubo a raggi catodici è 1525Hz. Il intervallo di udibilità è quindi fortemente soggettivo e legato a svariate problematiche, quali l’età, l’urbanizzazione (e quindi lo stress uditivo) e la salute. Definiamo quindi, per puro comodo, un intervallo pari 20Hz – 20KHz. L'orecchio di per sé non è in grado di rispondere alle frequenze inferiori o superiori all'intervallo indicato, ma quelle inferiori possono essere percepite col corpo attraverso il senso del tatto. Tra gli animali, i cani possono percepire frequenze fino a 40Khz mentre le farfalle sino a 180 KHz.

Nel tratto centrale dell'intervallo delle frequenze udibili l'orecchio ha una risoluzione di circa 2 Hz: significa che sono percepibili modifiche di un suono in altezza solo se queste sono maggiori di 2 Hz. Tuttavia, differenze d'altezza minori sono percepibili in altre maniere: per esempio, l'interferenza tra due altezze può essere spesso ascoltata come una differenza d'altezza di bassa frequenza. Questo effetto di variazione di fase sul suono risultante è comunemente conosciuto come fenomeno dei battimenti. L'effetto della frequenza sull'orecchio umano segue una base logaritmica. In altre parole, la maniera in cui l'altezza di un suono che viene percepita è funzione esponenziale della frequenza. La comune scala musicale di dodici suoni è un esempio: quando la frequenza fondamentale di una nota è moltiplicata per 21 / 12, il risultato è la frequenza del semitono successivo in direzione ascendente.

Andare più in alto di dodici semitoni, ovvero di un'ottava, è lo stesso che moltiplicare la frequenza della fondamentale per 212 / 12, ovvero raddoppiare la frequenza. Denominazione Italiana DO4 DO#4 RE4 RE#4 MI4 FA4 FA#4 SOL4 SOL#4 LA4 LA#4 SI4

Standard C4 C#4 D4 D#4 E4 F4 F#4 G4 G#4 A4 A#4 B4

Frequenza in Hz 262 277 294 311 330 349 370 392 415 440 466 494

La frequenza di una nota che dista n semitoni dalla fondamentale è data dalla formula:

Come risultato si ha che la risoluzione nel riconoscimento della frequenza assoluta viene giudicata meglio dall'orecchio in termini di semitoni o in cent, cioè in centesimi di semitono.

Il rumore Il rumore è un disturbo causato dall'eccesso di informazioni, tale che anche l'elemento potenzialmente utile non viene riconosciuto, nemmeno individuato, o individuato con difficoltà. Il rumore è quindi un segnale di disturbo rispetto all'informazione trasmessa in un sistema. Come tutti i suoni, il rumore è costituito da onde di pressione sonora. Costituisce rumore anche l'eccessiva ripetizione di un segnale, poiché le risorse cognitive utilizzate per la sua interpretazione diminuiscono via via che tale segnale si ripresenta con cadenza ciclica, limitando il livello dell'attenzione verso di esso. Per disturbo si intende un segnale o un processo stocastico (casuale), che non è detto che sia riferibile al rumore, non determinabile e perturbante la percezione.

La percezione sonora L’area di percezione sonora è ricompresa tra la soglia di udibilità e la soglia di dolore:

Il phon in psicoacustica rappresenta il livello di sensazione sonora sulla base del quale furono rappresentate le curve di isofonia nel diagramma di Fletcher e Munson. In particolare il phon definisce il livello di pressione sonora che un suono puro di una determinata frequenza f, deve avere, al fine di provocare la medesima sensazione uditiva

(in termini di intensità del livello acustico) del suono di riferimento alla frequenza di 1 kHz. Per esempio, il valore della pressione sonora corrispondente alla curva isofonica di 40 phon, per un suono puro con frequenza pari a 1.000 Hz, equivale a 40 dB mentre alla frequenza di 100 Hz equivale a circa 50 dB. Se si prende in considerazione l'intensità del suono, l'intervallo udibile è enorme: il limite inferiore è definito a 0 dB, mentre il limite superiore (nelle curve in esame) non è fissato. È possibile individuare un limite superiore approssimativo considerando il punto in cui l'intensità del suono è tale da danneggiare l'orecchio. In questo modo il limite dipende dalla durata del suono, poiché l'orecchio può sopportare 120 dB per un breve periodo, ma può subire sordità permanente se esposto per lungo tempo a un suono oltre gli 80 dB.

Il nome “audiogramma normale” dato da Fletcher e Munson al grafico ottenuto non è propriamente corretto, perché le condizioni sotto le quali è stato ottenuto (purezza del suono, onde sinusoidali piane) non sono quasi mai confrontabili con la realtà. L’importanza di tale grafico è comunque considerevole, in quanto è utilizzato per valutare le misure effettuate con sistemi che hanno una risposta uguale a tutte le frequenze; su di esso si basano inoltre le normative che stabiliscono per legge il livello sonoro limite al quale può essere sottoposto l’uomo. Le rilevazioni risalgono al 1933 e la loro elaborazione finale al 1937. Il nome più corretto è curve isofoniche o curve di uguale percezione di volume (equalloudness contour).

Successivamente, sono state rettificate e normate nell’ISO 226. Dalla curva a 40dB è stata derivata la cosiddetta curva pesata A in uso nell’audio per le misurazioni correlate alla sensibilità.

Nel grafico, ISO 226:2003 (in rosso) raffrontato con le curve originali di Fletcher e Munson (in blu) e le parti stimate alle alte frequenze (puntinato). Il grafico è in Hz (ascisse) e dBSPL (ordinate).

Psicoacustica La psicoacustica è fortemente basata sull'anatomia umana, soprattutto sulle limitazioni di percezione dell'orecchio. Dette • • • • •

limitazioni, per riassumere, sono: Limiti alle alte frequenze Soglia assoluta di udibilità Soglia del dolore Temporal masking (Mascheramento temporale) Simultaneous masking (Mascheramento simultaneo)

Nell’analisi della percezione, l'udito umano può essere assimilato ad un analizzatore di spettro, così che l'orecchio risolve il contenuto spettrale della pressione dell'onda di pressione tener conto della fase del segnale. Realmente, tuttavia, si possono percepire notevoli informazioni della fase. La differenza di fase tra un orecchio e l'altro fornisce una parte significante nella localizzazione del suono. Gli effetti di filtraggio della testa offrono un altro importante dato per la localizzazione e la direzione. Di conseguenza possiamo pensare che l’orecchio umano riesca ad analizzare i suoni in base a: • • • •

Frequenza (Hz) Intensità (dBSPL) Fase destra/sinistra (φ in gradi °, minuti ’ e secondi ’’) Ritardo destra/sinistra (in millisecondi)

Nell’elaborazione viene usata anche la correlazione tra i suoni e la sequenza temporale (inviluppo). In base al tipo di percezione ed alle caratteristiche delle limitazioni sono state introdotte delle scale di misura che tengono conto delle correlazioni.

Le principale scale di misura usate in psicoacustica sono Mel e Bark. Mel

La scala Mel, proposta da Stevens, Volkman e Newman nel 1937 è una scala percettiva che associa una frequenza alla sua percezione. Nelle ascisse abbiamo le frequenze, nelle ordinate le frequenze percepite. Il riferimento è pari a 1000 Hz a 40 dB, ovvero 1000 mels. La scala Mel evidenzia gli errori di percezione rispetto alla frequenza. Bark

La scala Bark, proposta da Eberhard Zwicker nel 1961, analizza le bande critiche dell’ascolto in psicoacustica, ovvero il limite di riconoscimento tra suoni ravvicinati in caso di mascheramento (ovvero due suoni percepiti come uno solo). La scala è suddivisa in 24 bande i cui valori in Hertz sono: 20, 100, 200, 300, 400, 510, 630, 770, 920, 1080, 1270, 1480, 1720, 2000, 2320, 2700, 3150, 3700, 4400, 5300, 6400, 7700, 9500, 12000, 15500.

Mascheramento

In alcune situazioni, un suono normalmente udibile può essere mascherato da un altro suono. Ad esempio, la conversazione a una fermata di autobus può diventare completamente impossibile se si sta avvicinando un rumoroso autobus. Questo fenomeno è chiamato "mascheramento". Un suono più debole è detto "mascherato" se è reso inaudibile dalla presenza di un suono più forte. Se due suoni vengono prodotti simultaneamente e uno è mascherato dall'altro, si parla di mascheramento simultaneo. Un suono di frequenza prossima a quella del suono più forte è mascherato più facilmente rispetto a uno di frequenza molto diversa. Per questo motivo, il mascheramento simultaneo è anche chiamato "mascheramento di frequenza". Un suono leggero emesso appena dopo la fine del suono alto è mascherato da quest'ultimo. Persino un suono leggero appena prima di un suono alto può essere mascherato da un suono alto. Questi due effetti sono chiamati rispettivamente anticipo e ritardo del temporal-masking (mascheramento temporale).

Conseguenze del mascheramento Al livello più basso di udibilità, le note gravi possono spesso essere udite chiaramente solo quando non ci sono altri suoni alla stessa frequenza. La cosa è dovuta al fatto che l'orecchio opera una sintesi dei suoni a bassa frequenza dalle differenze delle frequenze armoniche udibili presenti nei suoni in questione. In alcuni apparecchi commerciali, questo effetto è utilizzato per dare l'impressione di una risposta estesa alle bassa frequenze quando il sistema non è in grado di riprodurle adeguatamente. I principali effetti psicoacustici sono: • • • •

mascheramenti in frequenza mascheramenti in tempo illusioni di suoni inesistenti illusioni armoniche, scale infinite

I domini, le ontologie e le interpolazioni Nell'informatica, una ontologia è il tentativo di formulare uno schema concettuale esaustivo e rigoroso nell'ambito di un dato dominio; si tratta generalmente di una struttura dati gerarchica che contiene tutte le entità rilevanti, le relazioni esistenti fra di esse, le regole, gli assiomi ed i vincoli specifici del dominio. DOMINIO  ONTOLOGIA  INTERPRETAZIONE  INTERPOLAZIONE  PAREIDOLIA L'uso del termine "ontologia" nell'informatica deriva dal precedente uso dello stesso termine in filosofia, dove ha il significato dello studio dell'essere o dell'esistere, così come dalla filosofia sono tratti i concetti fondamentali di categoria e di relazione. Una ontologia fondazionale è in qualche misura assimilabile ad un glossario di base, anche se al contrario di questo, usualmente la prima è gerarchizzata in due o più livelli, nei cui termini tutto il resto deve essere descritto. In matematica, e in particolare in analisi numerica, per interpolazione si intende un metodo per individuare nuovi punti del piano cartesiano a partire da un insieme finito di punti dati, nell'ipotesi che tutti i punti si possano riferire ad una funzione f(x) di una data famiglia di funzioni di una variabile reale. Nelle attività scientifiche e tecnologiche e in genere negli studi quantitativi di qualsiasi fenomeno, accade molto spesso di disporre di un certo numero di punti del piano ottenuti con un campionamento o con apparecchiature di misura e di ritenere opportuno individuare una funzione che passi per tutti i punti dati o almeno nelle loro vicinanze.

Pareidolie

La pareidolia (dal greco είδωλον, immagine, col prefisso παρά, simile) è l'illusione subcosciente che tende a ricondurre a forme note oggetti o profili (naturali o artificiali) dalla forma casuale. È la tendenza istintiva e automatica a trovare forme familiari in immagini disordinate; l'associazione si manifesta in special modo verso le figure e i volti umani. Qui vediamo alcuni esempi di percezione visiva deformata, ovvero con illusioni relative alle distanze, alle proporzioni ed alla forma.

Classici esempi sono la visione di animali o volti umani nelle nuvole, la visione di un volto umano nella luna oppure l'associazione di immagini alle costellazioni. Sempre alla pareidolia si può ricondurre la facilità con la quale riconosciamo volti che esprimono emozioni in segni estremamente stilizzati quali le emoticon.

La pareidolia è un caso particolare di apofenia, che si riferisce al riconoscimento di suoni in stimolazioni casuali, come per esempio sentire il telefono squillare durante la doccia: il rumore prodotto dall'acqua corrente potrebbe fornire un background casuale da cui potrebbe essere "prodotta" l'apparenza del suono del telefono. Ovviamente l’apofenia è stimolata dalla ‘necessità’ dell’esistenza del suono dovuta a condizioni psicologiche quali, ad esempio, la paura e l’ansia. Fanno parte delle pareidolie i ‘trucchi’ sonori e musicali nati per provocare effetti particolari nella percezione. Tra i vari effetti sonori, possiamo ricordare quelli relativi alla percezione di suoni non presenti nella realtà –apofenie-, dovuti alla interazione ed al battimento oppure l’idea di presenza del suono che riteniamo più corretto in un certo momento (illusione di presenza di una fondamentale o di una melodia nascosta). Tra gli effetti sonori, il più noto è la Scala Shepard, dal nome dello psicologo Roger Shepard, che l'ha ideata, è un esempio di canone eternamente ascendente. Una determinata scala viene infatti suonata contemporaneamente su diverse ottave differenti; inoltre varia anche l'intensità delle scale, in modo che mentre una diminuisce di intensità, un'altra aumenta. L'effetto è quello di una scala che sale di altezza in modo indefinito. Il canone eternamente ascendente, è contenuto nella Offerta musicale di Johann Sebastian Bach. In questo brano, dopo una serie di modulazioni, ci si ritrova alla identica tonalità di partenza, senza che l'ascoltatore se ne sia reso conto. Si ascolti Fantasia e Fuga in Sol minore per organo BWV 542 di J.S. Bach. Il principio della scala di Shepard è stato utilizzato, in musica moderna, ad esempio dai Pink Floyd, alla fine della suite Echoes contenuta nell'album Meddle e dai Queen in A day at the races.

Audio analogico Dal realistico al finto Negli ultimi 30 anni si è passati da un mondo acustico analogico ad un mondo digitale. L’introduzione del CD (1979 – 1982) ha rappresentato il punto più alto dello sconvolgimento delle tecnologie nel campo audio, andando a sostituire il media principale per la fruizione. Un altro punto rilevante di questa modificazione è rappresentato dal MP3 (1991 - 1995) e dai media elettronici dedicati allo scopo, ovvero dai vari riproduttori e dalle chiavette usate come media. In buona sostanza, in questi anni si è modificato completamente lo scenario e si è giunti ad una variazione della percezione di cos’è il suono, passando da un ascolto nel quale distorsione e rumore erano normali ad uno in cui coloriture ed artificiosità sono la norma. Il rumore è una componente strutturale di qualunque catena di riproduzione. Un componente elettronico, per quanto perfetto, genera rumore. La sorgente di rumore più comune negli apparati e dispositivi elettronici è il rumore termico, esso è infatti intrinseco di ogni elemento dissipativo (es. resistori) che si trovi ad una temperatura diversa dallo zero assoluto. Questo rumore è conseguenza dell'agitazione termica dei portatori di carica in un conduttore. Il valore quadratico medio (quadrato del valore efficace) dipende dalla temperatura ed è pari a dove: • • • •

k= 1,38 * 10 − 23 W/KHz (costante di Bolzmann); R è la resistenza elettrica del conduttore; Bn è la banda equivalente di rumore; T è la temperatura in kelvin (K)

Semplifichiamo il concetto ignorando le altre tipologie di rumore, ma sapendo che esistono e sono presenti se esistono componenti attivi o connessioni: • rumori di tipo shot, flocker e burst, dovuti ai componenti attivi; • rumori parassiti, microinterruzioni e scricchiolii dovuti alle connessioni; • rumori e disturbi di interferenza, dovuti a circuiti esterni. Nell’elettronica analogica (ma non si compia l’errore di pensare che non vi sia nulla di analogico in una catena digitale) il rumore è imprescindibile e ineludibile. Inoltre è sempre presente un grado di distorsione del segnale. Nei tempi dell’audio analogico era normale ascoltare il suono con una percentuale rilevante di rumore e distorsione. Il suono risultante era quindi simile all’originale, ma ne era una rappresentazione infedele, in quanto affetta da disturbi e distorsioni. Ora, con l’audio digitale, la registrazione dell’evento è estremamente simile all’originale ma la catena di riproduzione è sempre di più comoda e abbellita.

Si tende a fornire ed a utilizzare sistemi di riproduzione piccoli, poco invasivi e che rendono il suono in modo tale da essere percepito come fedele, anche se finto. Come similitudine si pensi all’uso di ritoccare le immagini per accentuarne il realismo, quando la ripresa in quanto tale non rende l’impressione che si desidera. Il suono viene spesso abbellito con coloriture (es. accentuazione dei medio-bassi, accentuazione degli alti, etc.) o modificato durante la registrazione per comodità (es. MP3, con la soppressione delle parti di suono ritenute non udibili, in maniera similare ai Jpeg nelle immagini) o con modificazioni della fase o dei ritardi (es. nei sistemi home-cinema). È difficile spiegare con parole un concetto di questo tipo. L’invito che si può fare è di ascoltare della musica nella realtà (es. un concerto) e di ascoltare una riproduzione.

Complessità e qualità In linea di massima, il numero dei componenti di un sistema elettronico aumenta la possibilità di rumore e riduce il rischio di distorsione. I puristi affermano da sempre che sarebbe da preferire una catena di riproduzione più corta e semplice possibile. In linea di massima e nei limiti del ragionevole (es. se si necessita di un mixer non è facile pensare ad una semplificazione) ciò è corretto, ma occorre pensare alle necessità che il sistema deve soddisfare. In un sistema digitale ciò è più semplice, in quanto la parte analogica può essere ridotta all’acquisizione ed alla riproduzione nello stadio finale.

Elettronica di base Letteralmente, l'elettronica è la scienza e la tecnologia del controllo degli elettroni. In pratica questo termine indica oggi l'insieme di conoscenze pratiche e teoriche necessarie per progettare e realizzare apparati in grado di elaborare grandezze fisiche, tradotte per mezzo di opportuni dispositivi, servendosi di grandezze fisiche relative alla carica elettrica. Le realizzazioni dell'elettronica sono dei circuiti elettronici costituiti da dei componenti, attivi e passivi, collegati per mezzo di fili o tracciati conduttivi, in genere metallici, attraverso cui circolano correnti elettriche. L'elettronica si divide in due grandi settori: • l'elettronica analogica, si occupa di segnali analogici, cioè che variano nel tempo in modo continuo, e che in linea di principio potrebbero assumere un valore qualsiasi in qualunque istante di tempo dato (per esempio voci, suoni, intensità luminose ecc.): operazioni tipiche compiute su questi segnali sono l'amplificazione, la modulazione, la miscelazione, il filtraggio. • l'elettronica digitale, che invece tratta dei segnali elettrici che possono assumere soltanto alcuni valori (predeterminati e finiti) "legittimi" di tensione, convenzionalmente due valori utilizzando il sistema binario: "alto" o "basso" che sono associati ai valori logici "vero" e "falso". In questo caso ci si riferisce a segnali binari che in genere vengono sottoposti a operazioni logiche booleane come l'AND, l'OR, il NOT eccetera. Un componente elettronico è un dispositivo atto a regolare il passaggio di corrente elettrica attraverso di esso e/o il valore di tensione elettrica ai suoi capi secondo una legge matematica ben determinata. In questa legge possono intervenire anche forze fisiche esterne, non elettriche: componenti particolari possono o modulare o generare correnti o tensioni elettriche sotto l'effetto di altre forze fisiche, o ancora a reagire a questo passaggio generando luce o effetti fisici di altro genere: in questo caso essi sono detti trasduttori. Alcuni componenti sono comuni sia all'elettronica che all'elettrotecnica, soprattutto le impedenze e i trasformatori.

Tensione

In fisica, la differenza di potenziale è la differenza in potenziale tra due punti immersi in un campo vettoriale conservativo. Nel contesto dell'elettricità, il campo vettoriale conservativo è il campo elettrostatico. Tra due punti nel campo si può definire una differenza di potenziale elettrico la cui unità di misura è il volt. Tale differenza di potenziale è talvolta chiamata tensione o, più raramente (ed impropriamente), voltaggio.

Corrente

La corrente elettrica è un qualsiasi flusso ordinato di carica elettrica, tipicamente attraverso un filo metallico o qualche altro materiale conduttore. La corrente convenzionale venne definita inizialmente, nella storia dell'elettricità, come il flusso di carica positiva, anche se sappiamo, nel caso della conduzione metallica, che la corrente è causata dal flusso di elettroni con carica negativa nella direzione opposta. Nonostante ciò, l'originale definizione di corrente convenzionale resta valida. Il simbolo normalmente usato per la quantità di corrente (la quantità di carica che scorre nell'unità di tempo) è I, e l'unità di misura nel SI della corrente elettrica è l'ampere. La corrente elettrica viene anche chiamata intensità di corrente La legge di Ohm esprime una relazione tra la differenza di potenziale V (tensione elettrica) ai capi di un conduttore e la corrente elettrica I che lo attraversa. Sia R la resistenza del conduttore, abbiamo: Gli elementi elettrici per i quali la legge è soddisfatta sono detti resistori (o resistenze) ideali o ohmici. In ambito reale, si utilizza la formula:

Dove:

per le resistenze,

per le induttanze e

per i condensatori. Le leggi di Kirchhoff descrivono le proprietà dei circuiti elettrici a parametri concentrati. Furono formulate da Gustav Robert Kirchhoff nel 1845 a seguito di esperimenti empirici. Nei circuiti a parametri concentrati sostituiscono completamente le leggi dell'elettromagnetismo permettendo di ridurle a pure relazioni topologiche. La legge di Kirchhoff delle correnti (LKC o LKI) afferma che, definita una superficie chiusa che attraversi un circuito elettrico, la somma algebrica delle correnti che attraversano la superficie (con segno diverso se entranti o uscenti) è nulla.

La legge di Kirchhoff delle tensioni (LKT o LKV) afferma che, in un circuito a parametri concentrati planare, la somma algebrica delle tensioni lungo una linea chiusa (con il segno appropriato in funzione del verso di percorrenza della maglia stessa) è pari a zero.

Impedenze

Resistore Il resistore (comunemente resistenza) è un componente elettrico di enorme importanza per le sue innumerevoli applicazioni sia in apparecchiature elettriche che elettroniche. I resistori sono a volte utilizzati per convertire energia elettrica in energia termica. Nella Teoria dei circuiti il resistore è un componente ideale (resistenza) che risponde, se lineare, alla legge di Ohm, i resistori non lineari sono essenziali per fare modelli circuitali, per esempio, degli oscillatori elettronici. Nel mondo reale, i resistori sono dispositivi multiformi, con caratteristiche e limiti operativi ben determinati.

Induttore L'induttore è un componente elettrico che genera un campo magnetico al passaggio di corrente elettrica (continua o alternata od impulsiva). L'ampiezza della f.e.m. è correlata con l'intensità della corrente e con la frequenza delle sinusoidi dalla seguente equazione: dove ω è la pulsazione della sinusoide legata alla frequenza f da: ω = 2 π f

Condensatore Il condensatore o capacitore è un componente elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrostatico, accumulando al suo interno una certa quantità di carica elettrica. Nella teoria dei circuiti il condensatore è un componente ideale che può mantenere la carica e l'energia accumulata all'infinito, se isolato (ovvero non connesso ad altri circuiti), oppure scaricare la propria carica ed energia in un circuito a cui è collegato.

dove Q=Carica; C=Capacità Nei circuiti in regime sinusoidale permanente esso determina una differenza di fase di 90 gradi fra la tensione applicata e la corrente che lo attraversa. In queste condizioni di funzionamento la corrente che attraversa un condensatore ideale risulta in anticipo di un quarto di periodo rispetto alla tensione che è applicata ai suoi morsetti. La quantità di resistenza che un condensatore oppone alla corrente alternata è nota come reattanza capacitiva e dipende dalla frequenza della AC:

Dalla formula si possono fare alcune interessanti osservazioni: • la reattanza è inversamente proporzionale alla frequenza; • si ha la conferma che il condensatore blocca la corrente continua, in quanto questa ha frequenza nulla e perciò la reattanza del condensatore tende ad infinito; • ad alte frequenze la reattanza è così piccola da poter essere tranquillamente trascurata nell'eseguire i calcoli.

Circuiti

Un circuito RC è un circuito elettronico del primo ordine basato su una resistenza e sulla presenza di un elemento dinamico, il condensatore. A seconda di come sono disposti i due componenti del circuito RC esso è in grado di filtrare le frequenze basse (filtro passa basso) oppure quelle alte (filtro passa alto), realizzando un filtro del primo ordine e se considerato come cella elementare, esso è in grado di comporre filtri del secondo ordine e via dicendo come il doppio passa basso e doppio passa alto. In un circuito RC la costante di tempo è una misura del tempo di risposta caratteristico del circuito. Il suo inverso è proporzionale alla frequenza di taglio. Il valore di questa costante si ottiene come prodotto della resistenza e della capacità elettrica del circuito:

se R viene espresso in ohm e C in farad, τ risulta espresso in secondi. In pratica è il tempo richiesto per caricare il condensatore, attraverso il resistore, al 63,2 % della sua capacità di carica totale; oppure per scaricarlo al 36,8 % della sua differenza di potenziale (in volt). In generale, si dice RLC un circuito che contenga solo resistenze (R), induttori (L) e condensatori (C). Per estensione, viene spesso definito RLC un circuito che contenga anche altri elementi passivi, ma nessun elemento attivo. I circuiti RLC sono sistemi lineari, per lo più stazionari (ma non necessariamente). In particolare, ciò significa che un circuito RLC non può creare frequenze dal nulla: può eventualmente sopprimerle. Infatti, la nascita di nuove frequenze (distorsione) avviene soltanto negli elementi attivi e negli elementi non lineari, come diodi e transistor. In casi particolari, però, alcuni elementi quali induttanze, capacità e trasformatori possono avere comportamenti non lineari e quindi introdurre distorsioni (ad esempio, per saturazione del materiale ferromagnetico presente).

Macchine elettriche: Trasformatori

Il trasformatore è una macchina elettrica statica (perché non contiene parti in movimento) appartenente alla categoria più ampia dei convertitori. In particolare il trasformatore consente di convertire i parametri di tensione e corrente in ingresso rispetto a quelli in uscita, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica (a meno delle perdite per effetto dell'isteresi e delle correnti parassite). Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell'elettromagnetismo legati ai flussi variabili.

Componenti attivi Diodo Il diodo è un componente elettronico attivo non lineare a due terminali (bipolo), la cui funzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in una direzione e di bloccarla nell'altra, la qual cosa viene realizzata ponendo dei vincoli alla libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica. In questo modo può essere usato, per esempio, per eliminare una delle due semionde di un segnale elettrico alternato.

Dalle curve corrente/tensione possiamo vedere come il passaggio di corrente non è lineare in funzione della tensione applicata ai capi del componente, e con l’applicazione di una tensione positiva (piccola a piacere) inizia a condurre in maniera ideale (figura a sinistra). Nella curva centrale si nota come un componente quasi ideale in quanto comincia a condurre al raggiungimento della tensione caratteristica (in questo caso, 0,7V). Il diodo reale, figura a destra, inizia a condurre quando ai suoi capi (anodo e catodo) è presente una tensione positiva simile alla sua tensione caratteristica o di soglia e assume un comportamento quasi ideale al raggiungimento della soglia.

Componenti attivi a vuoto

Diodo

L'anodo è polarizzato con un potenziale positivo, mentre il catodo con uno negativo. Il catodo, riscaldato da un apposito filamento, emette elettroni, che sono particelle di carica negativa. Quando l'anodo è polarizzato positivamente si avrà che gli elettroni emessi dal catodo vengono raccolti dall'anodo, creando così un flusso di cariche ovvero una corrente elettrica. Se polarizzassimo il catodo positivamente e l'anodo negativamente non riusciremmo più ad ottenere un flusso di cariche dal momento che gli elettroni emessi da catodo verrebbero respinti dal campo negativo dell'anodo. Il tubo permette quindi alla corrente di scorrere solamente lungo un verso, e permette quindi il raddrizzamento elettrico. Nei tubi a potenza più bassa il catodo e il filamento sono elettrodi indipendenti e isolati elettricamente; Il filamento riscalda il catodo e quest'ultimo emette gli elettroni coinvolti nella conduzione. Triodo Aggiungendo una griglia tra il catodo e l'anodo, come fece per primo Lee de Forest nel 1907, si ottiene il triodo. La griglia, che è generalmente costituita da un filo avvolto a spirale o da una rete interposta nello spazio intorno al catodo, è in grado, opportunamente polarizzata, di controllare il flusso di elettroni tra catodo ed anodo: polarizzata negativamente rispetto al catodo, questa respinge gli elettroni del flusso tanto più quanto più è polarizzata negativamente, fino alla tensione di cut-off in cui la corrente è zero. Quindi, variando la tensione della griglia si può controllare il flusso di corrente fra anodo e catodo, da zero fino al massimo che la valvola consente (punto di saturazione). Una piccola variazione di tensione sulla griglia provoca una notevole variazione della

Pentodo

Per poter disporre di valvole capaci di amplificare anche segnali in alta frequenza, nel 1927 venne costruito il tetrodo. Ponendo una seconda griglia collegata a massa (la griglia schermo) tra la griglia controllo e l'anodo, si ottiene uno schermo elettrostatico che diminuisce la capacità tra anodo e griglia controllo. Il pentodo è, essenzialmente, un tetrodo con una griglia in più, la griglia di soppressione; questa ha lo scopo di ridurre l'emissione secondaria e la conseguente distorsione. La terza griglia viene normalmente collegata al catodo, in genere con un collegamento interno alla valvola, che quindi spesso ha lo stesso numero di piedini del tetrodo. Il pentodo è un vero e proprio punto d'arrivo nello sviluppo della valvola: alta amplificazione, larga banda, bassa distorsione, buona linearità. I pentodi si trovano negli

stadi a radiofrequenza e a media frequenza di un ricevitore, ma anche negli amplificatori d'uscita. Il difetto principale del pentodo è un maggiore livello di rumore introdotto nel segnale in uscita, che lo rende inadatto per i primi stadi di amplificazione o quando è necessaria una amplificazione molto elevata.

Componenti attivi a stato solido Transistor Il transistor (o transistore) è un dispositivo a stato solido formato da semiconduttori. Il suo funzionamento è basato su quello della giunzione P-N, che era stata scoperta casualmente da Russell Ohl il 23 febbraio 1939, esaminando la differenza di conducibilità tra due lati di un cristallo di silicio semiconduttore con una crepa. Bipolari

Un transistor a giunzione bipolare (in inglese bipolar junction transistor o BJT) è un tipo di transistor, cioè un componente elettronico attivo (nel senso che può pilotare una corrente, ma non erogare potenza) che funziona come amplificatore o interruttore, ed è formato da semiconduttori drogati. Tra i semiconduttori ricordiamo il germanio ed il silicio. La drogatura avviene inserendo delle impurità nel materiale al fine di modificare il suo comportamento. La drogatura con fosforo, arsenico, antimonio crea un semiconduttore di tipo N, ovvero con aumento di elettroni di conduzione. La drogatura con boro, gallio, indio crea un semiconduttore di tipo P, ovvero con aumento di lacune di conduzione. Ogni giunzione PN o NP opera come un diodo. Il BJT è formato da diversi strati, drogati in modo diverso, che formano transistor NPN o PNP. Le tre zone sono chiamate base, quella centrale, collettore ed emettitore quelle laterali, indifferentemente dal tipo di drogaggio: si può dimostrare che emettitore e collettore non si possono interscambiare.

Ognuno di questi tre terminali può essere considerato un terminale di ingresso o di uscita o ancora si possono mettere a comune due terminali, in tal caso si dice che il transistor è a configurazione a base comune, a collettore comune o a emettitore comune. FET

Il JFET è un tipo di transistor ad effetto di campo. L'acronimo JFET sta per junction field effect transistor, o transistor ad effetto di campo a giunzione. È un dispositivo costruito come sandwitch di semiconduttori drogati in modo diverso (P-N-P o N-P-N). Il JFET e' un dispositivo unipolare poiché' solo i portatori maggioritari che costituiscono il canale si occupano della conduzione. Al contrario del transistor bipolare, la cui grandezza di controllo è la corrente di base, i FET sono controllati in tensione e la corrente assorbita dal gate risulta pertanto molto bassa. MOSFET

MOSFET, è l'acronimo di Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, cioè transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo. Molto frequentemente viene indicato anche solo come transistor MOS. È un tipo di transistor, molto usato nei dispositivi digitali grazie al basso consumo di potenza dovuto alla ridotta dispersione di calore rispetto ad altri tipi. Il MOSFET è certamente il più comune transistor a effetto di campo sia nei circuiti digitali che in quelli analogici. Il MOSFET è composto da un substrato di materiale semiconduttore di tipo n o di tipo p.

Componenti integrati Composizioni elaborate di transistor e/o di elementi attivi diversi (MosFET, etc.) e passivi (resistenze, condensatori), trovano collocazione in componenti integrati. Si riescono ad ottenere densità di componenti estremamente elevate, dell’ordine di milioni di componenti per centimetro quadrato. L’uso di questi componenti semplifica di svariati ordini di grandezza la complessità progettuale di un qualunque sistema. Sono in uso ormai da una quarantina d’anni e nell’audio analogico sono usati in particolare gli amplificatori operazionali, che permettono una progettazione quasi ideale (in termini di equazioni e di curve).

Componenti Analogici Complessi L’amplificazione Un amplificatore è un dispositivo che modifica l'ampiezza, di un fattore moltiplicativo, del segnale che lo attraversa. Viene caratterizzato dal guadagno A, a volte espresso in dB. Più specificamente un generico amplificatore (lineare) ha un ingresso in cui entra il segnale da amplificare ed una uscita da cui esce il segnale amplificato, che è pari a A volte il segnale originale. Se il guadagno dell'amplificatore non è costante ma varia in base a determinate caratteristiche del segnale si parla di amplificatore non lineare.

Amplificatore a transistor bipolare ad emettitore comune. L’amplificazione è data dal rapporto tra corrente in Base (b) e corrente sul collettore (c). Le figure che seguono illustrano la modalità di amplificazione, partendo da un segnale modulante Vsin presente in base mediante Cin ed arrivando alla Vce (tensione tra collettore ed emettitore) e quindi all’output su Rl mediante Cout.

Amplificatore differenziale

Un amplificatore differenziale è un tipo di amplificatore elettronico che moltiplica la differenza tra due ingressi per un fattore costante, il guadagno differenziale. Dati due ingressi e , un amplificatore differenziale fornisce un'uscita Vout:

in cui Ad è il guadagno di modo differenziale e Ac il guadagno di modo comune.

Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR, dall'inglese "common mode rejection ratio") è di solito definito come il rapporto tra il guadagno di modo differenziale e il guadagno di modo comune:

Da quest'equazione, si può notare che quando Ac tende a zero, CMRR tende all'infinito. Maggiore è la resistenza della corrente di emettitore Re, più basso è Ac, e migliore è il CMRR. Pertanto, per un amplificatore differenziale perfettamente simmetrico, con Ac = 0, la tensione di uscita è data da

Amplificatore operazionale

Un amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, accoppiato in continua e ad elevato guadagno (idealmente infinito).

Il nome è dovuto al fatto che con esso è possibile realizzare circuiti elettronici in grado di effettuare numerose operazioni matematiche: la somma, la sottrazione, la derivata, l'integrale, il calcolo di logaritmi e di antilogaritmi. Al giorno d'oggi l'amplificatore operazionale è, in genere, costituito da un circuito integrato.

Un amplificatore operazionale in configurazione in amplificazione non invertente.

Gli amplificatori operazionali sono il tipico e più diffuso caso di componente integrato di tipo analogico in campo audio. Illustriamo i più comuni circuiti di elaborazione mediante amplificatore operazionale (amplificatore, cioè, in grado di compiere operazioni matematiche).

Gli amplificatori possono essere invertenti o non invertenti e le relative formule di amplificazione sono: Invertente: Av = - (Z’/Z) Non invertente : Av = 1+ (Z’/Z)

Introducendo un condensatore nel circuito di retroazione o di ingresso si ottiene un amplificatore in grado di eseguire operazioni di integrazione o derivazione. La frequenza minima e massima del segnale è limitata entro determinati valori dai parametri dei componenti usati (integratore e derivatore limitato), ed in particolare dal tempo di carica della rete RC, τ = RC. Superati questi limiti il circuito entra in saturazione distorcendo il segnale. Operazione di integrazione: Nel caso in cui all'ingresso venga applicato un segnale sinusoidale, si rileverà in uscita un segnale sempre sinusoidale ma sfasato di +90°. Se all'ingresso viene applicata un'onda rettangolare, in uscita si avrà un segnale di tipo triangolare. Se all'ingresso viene applicata un'onda triangolare, in uscita si avrà un segnale costituito da rami di parabola.

Il componente elettronico principe è il circuito integrato 741 (LM741, UA741, etc.), i cui nipotini sono ancora in uso.

Il componente LM741 o UA741 ha avuto una enorme diffusione e quello sopra riportato è lo schema di principio. Oltre ai terminali di alimentazione (pin 7 e 4) notiamo gli ingressi (2 e 3) e l’uscita (6). Su alcuni modelli di operazionale sono disponibili dei pin (contatti, ingressi) per il controllo e l’annullamento della tensione di offset sull’uscita. Dagli operazionali a transistor bipolari sono derivati gli operazionali a basso rumore con ingresso a Fet, come la serie TL071/72/74/81/82/84, di cui vediamo lo schema di principio.

Generalmente i vari tipi di operazionali hanno conservato una piedinatura comune che qui riportiamo.

Per completezza, introduciamo un paio di circuiti basati su operazionali. Trigger di Schmitt Introducendo una moderata retroazione sull'ingresso non invertente, a sommarsi con il segnale entrante, si può ottenere un comparatore con isteresi o trigger di Schmitt. Questo tipo di comparatore è impiegato per eliminare eventuali indecisioni e commutazioni indesiderate prodotte dal rumore elettrico. In pratica la tensione di riferimento non è costante ma dipende dallo stato dell'uscita, in modo tale che la soglia di commutazione verso l'alto è superiore di un certo margine rispetto alla soglia di commutazione verso il basso. In un comparatore Trigger/Schmitt si individuano le tensioni di riferimento e le soglie di commutazione.

I trigger nella forma invertente e non.

La caratteristica operativa e le forme d’onda associate.

Oscillatori Introducendo un condensatore in una rete di amplificazione e sfasamento si può produrre un oscillatore. In questo caso ad onda quadra.

Quello che segue è un oscillatore a sfasamento, con uscita sinusoidale pari a fn = 1/(2πRC), che sfrutta l’inversione di fase dell’amplificatore invertente per riportare in fase (e quindi provocando l’oscillazione) l’uscita mediante due reti RC accordate.

Un altro oscillatore, in questo casi in quadratura, nella quale una doppia sfasatura di 90° di segno opposto provoca una oscillazione. Le due uscite sono sfasate ed assimilabili ad un seno ed un coseno.

La distorsione

La distorsione è il cambiamento di una forma d'onda a causa del passaggio attraverso un componente fisico non lineare. In linea di massima è un errore sistematico di non linearità in uno qualunque dei parametri caratteristici di un fenomeno. Nell’audio può quindi essere: • di forma d’onda o armonica • di fase • di intermodulazione Prendiamo ad esempio un amplificatore a transistor. La tensione di uscita di un transistor reale non è mai una sinusoide perfetta, e ha un andamento simile a questo:

Ciò è causato dalle caratteristiche non lineari del dispositivo e dalla struttura cristallina non omogenea. In particolare, i valori della sinusoide al di sopra di un certo valore vengono tagliati al valore massimo emissibile dal dispositivo (saturazione), e allo stesso modo vengono tagliati anche i segnali al di sotto di una certa soglia, generalmente intorno a 0.20.3 V (cutoff). Tale caratteristica introdotta dal transistor è detta distorsione di non linearità. Il dispositivo non introduce una distorsione apprezzabile se e solo se l'ampiezza del segnale di ingresso è relativamente limitata, quindi il punto di lavoro istantaneo I-V non passa mai per regioni di saturazione o di cutoff e rimane sempre all'interno della regione attiva diretta.

La regione di cutoff è caratterizzata da una corrente sul collettore praticamente nulla, mentre quella di saturazione da una tensione tra collettore ed emettitore compresa (ad esempio) tra 0.2 e 0.3 V.

Circuiti elettronici Di seguito vengono visualizzati alcuni circuiti elettronici d’uso comune e le relative curve di trasferimento. Amplificatore differenziale

(Rf=Rg; R1=R2) Amplificatore invertente

Amplificatore non invertente

Inseguitore (Follower, Separatore)

Vout=Vin

Sommatore (Mixer)

ovvero Integratore

Derivatore

Comparatore

 

Vout = VH per V1 > V2



Vout = VL per V1 < V2

Giratore (simulatore di induttanza)

Diodo ideale

Amplificatore logaritmico

in cui Is è la corrente di saturazione del diodo.

Amplificatore esponenziale

Filtri attivi In elettronica un filtro elettronico è un dispositivo che realizza delle funzioni di trasformazione dei segnali. In particolare la sua funzione può essere quella di filtrare determinate bande di frequenza lasciando passare le frequenze più alte o più basse di un valore determinato, o quelle comprese in un intervallo prestabilito. La funzione di trasferimento di un filtro può essere rappresentata con un diagramma di Bode. I filtri • • • •

elettronici possono essere: Passivi o attivi Analogici o digitali A tempo discreto (campionato) o a tempo continuo Lineari o non lineari

I tipi più comuni di filtri elettronici sono lineari, indipendentemente da altri aspetti del loro progetto. Molti filtri sono anche dei sistemi risonanti. Ogni dispositivo reale funge per sua natura da filtro.

In elettronica un filtro passa alto è costituito da un circuito elettronico che permette solo il passaggio di frequenze al di sopra di una data frequenza detta "frequenza di taglio". Può essere di tipo attivo o passivo a seconda della presenza di elementi attivi nel circuito quali amplificatori oppure solo passivi. Inoltre, in base alla pendenza del taglio in frequenza, si può distinguere in filtro passa-alto di primo ordine (20 dB per decade), di secondo ordine (40 dv per decade), di terzo ordine (60 dv per decade) e così via.

Un filtro passa basso è costituito da un circuito elettronico che permette solo il passaggio di frequenze al di sotto di una data frequenza detta "frequenza di taglio". Può essere di tipo attivo o passivo a seconda della presenza di elementi attivi nel circuito quali amplificatori oppure solo passivi. Inoltre, in base alla pendenza del taglio in frequenza, si può distinguere in filtro passa basso di primo ordine (20 dv per decade), di secondo ordine (40 dv per decade), di terzo ordine (60 dv per decade) e così via, che è anche la classificazione dei filtri in cascata, come il doppio passa basso e il doppio passa alto.

In elettronica, un filtro passa banda è un dispositivo che permette il passaggio di frequenze all'interno di un dato intervallo (la cosiddetta banda passante) ed attenua le frequenze al di fuori di esso. Un esempio di un circuito analogico che si comporta come filtro passa banda è un circuito RLC (una rete elettrica formata da resistore-induttorecapacitore prelevando l'uscita sul resistore). I più semplici filtri passa banda però possono anche essere creati dalla combinazione di un filtro passa basso e un filtro passa alto opportunamente dimensionati.

Il filtro passa banda ideale ha una banda passante perfettamente piatta, non ha né attenuazione né guadagno per le frequenze all'interno, e attenua completamente tutte le frequenze al di fuori di questo intervallo.

Nel caso reale, la banda passante (bandwidth) è rappresentata da una campana che ha il centro nelle Fc (frequenza di risonanza o frequenza centrale) in corrispondenza del picco di guadagno e due punti caratteristici di fine campana, dove il guadagno è pari a –3dB. Il reciproco di un filtro passabanda è il filtro elimina-banda o notch.

Pendenza di un filtro Andamento della pendenza di un filtro di Butterworth (massima linearità) passa basso del primo ordine, ovvero 12dB/ottava, ovvero 20dB/decade

Filtri Butterworth / Bessel / Chebyshev

Vi sono varie tecniche di progettazione dei filtri e del loro comportamento. I più usati sono quelli citati. Butterworth è caratterizzata da una risposta in ampiezza la più piatta possibile in banda passante e pertanto e anche nota come risposta massimamente piatta. Questa caratteristica e l'ideale nelle applicazioni audio ad alta fedeltà in cui è assolutamente necessario che il filtro amplifichi della stessa quantità tutti i segnali con frequenza compresa nella banda passante. Bessel è caratterizzata da una risposta in fase la più lineare possibile in banda passante. Questa caratteristica fa si che il filtro introduca un ritardo temporale uguale per tutti i segnali con frequenza compresa nella banda passante. Il filtro di Bessel e utilizzato soprattutto nelle telecomunicazioni quando sono presenti molti filtri in cascata ed il ritardo temporale introdotto e notevole. Chebyshev è caratterizzata da una risposta in ampiezza con oscillazioni di ampiezza costante in banda passante, tali oscillazioni prendono il nome di ripple e la riposta viene anche chiamata equi ripple. Questa caratteristica fa si che il filtro presenti in prossimità della frequenza di taglio una pendenza di taglio molto elevata.

Diagramma di Bode Un diagramma di Bode è una rappresentazione grafica di una funzione di trasferimento, ovvero della risposta in frequenza di un sistema lineare per un ingresso di valore unitario, e consiste di un diagramma di ampiezza (o modulo) e un diagramma di fase.

Qualità di un filtro I filtri sono misurati con il loro fattore di qualità, fattore di merito o fattore Q. Si dice che un filtro ha un Q alto, se seleziona o inibisce un intervallo di frequenze stretto, relativamente alla sua frequenza centrale. Q = F0/Bw dove F0 = frequenza di risonanza del filtro, Bw = banda passante del filtro Ad esempio, i filtri audio per casse acustiche a due vie a 12 dB/ottava sono stati studiati ed elaborati con particolare attenzione alla zona dove i suoni del tweeter si sovrappongono con quelli del woofer, tale zona è detta d'incrocio. Il fattore di Q o fattore di merito, esprime il comportamento del filtro, appunto, nella zona d'incrocio. Avremo per diversi fattori di Q: • Linkwitz-Riley, risposta in frequenza PIATTA nel punto d'incrocio. • Butterworth, risposta in frequenza ENFATIZZATA nel punto d'incrocio. • Bessel, risposta in frequenza INTERMEDIA fra Linkwitz-Riley e Butterworth nel punto d'incrocio.

Dispositivi I trasduttori

Il trasduttore è un dispositivo, generalmente elettrico o elettronico, che converte un tipo di energia relativa a grandezze meccaniche e fisiche in segnali elettrici o viceversa. Molti trasduttori sono sia sensori sia attuatori, ovvero possono agire sia da convertitori in energia elettrica di fenomeni diversi che da convertitori da energia elettrica in fenomeni diversi (es. meccanico-elettrico, elettrico-meccanico). In senso lato, un trasduttore è talvolta definito come un qualsiasi dispositivo che converte dell'energia da una forma ad un'altra, in modo che questa possa essere rielaborata o dall'uomo o da altre macchine. Tra i trasduttori in uso nei vari campi dell’audio: • microfoni: condensatore, dinamici, etc.; idrofoni, catodofoni • altoparlanti: dinamici, piezoelettrici, al plasma, etc.; casse acustiche • testine: da giradisco (bobina e magnete mobile), da nastro magnetico, da nastro ottico, laser, etc. Un altoparlante, ad esempio, traduce energia elettrica in energia elettromagnetica attraverso una bobina mobile immersa in un campo magnetico permanente, e quindi il movimento della bobina stessa, connessa ad un cono in carta od una cupola in plastica, in energia meccanica e quindi sonora. L’altoparlante è un trasduttore reversibile, in quanto l’energia sonora che colpisce il cono muove la bobina nel campo magnetico, provocando quindi la creazione di energia elettrica ai capi della bobina.

I microfoni Prima di parlare dei microfoni come trasduttori meccanici, sarà opportuno fare qualche accenno sui principi elementari che sono alla base del loro funzionamento; in particolare accenneremo al campo elettrico, al campo magnetico e al campo elettromagnetico. Il campo elettrico è quello spazio che circonda un corpo elettricamente carico in ogni punto del quale sia presente l'effetto dell'elettrizzazione stessa. I corpi elettrizzati normalmente esercitano la loro attrazione o repulsione a seconda che le rispettive cariche elettriche affacciate siano o no dello stesso segno. Pertanto ogni conduttore percorso da una corrente elettrica genera intorno a sé un campo elettrico. Il campo magnetico è quello spazio che circonda un corpo magnetizzato, in ogni punto del quale sia presente l'effetto della magnetizzazione. Detto campo può essere generato sia da un magnete permanente che da un elettromagnete e quest'ultimo può anche essere costituito da un conduttore percorso da una corrente elettrica. Questa genera sempre, oltre ad un campo magnetico, anche un campo elettrico, mentre ogni variazione di flusso in un campo magnetico crea una corrente elettrica indotta, per cui la coesistenza delle due componenti in oggetto, variabili nel tempo, generano un campo elettromagnetico.

I microfoni sono dei trasduttori di energia sonora in energia elettrica. Questa conversione avviene generalmente in due fasi: nella prima si ha la conversione di energia sonora in energia meccanica che, a seconda del principio su cui essa è basata, consente di individuare una suddivisione dei microfoni in due categorie: • •

a pressione a gradiente di pressione

Nella seconda fase si ha la conversione di energia meccanica in energia elettrica, la quale consente di individuare una seconda suddivisione dei microfoni in due categorie: • •

a spostamento a velocità

Il trasduttore di un microfono a pressione è costituito essenzialmente da un diaframma

Questo diaframma è collegato rigidamente all'elemento che funge da trasduttore di energia meccanica in energia elettrica. Un sottile foro praticato nella cavità mantiene il valore medio di pressione uguale a quello della pressione atmosferica.

Il trasduttore di un microfono a gradiente di pressione è costituito essenzialmente da un diaframma flessibile fissato su un supporto e avente entrambe le facce esposte alle onde sonore. La deformazione del diaframma dipende in questo caso dalla differenza di pressione sulle due facce, differenza questa che dipende ovviamente dalla differenza dei percorsi l1 e l2 che l'onda sonora deve fare per raggiungere la faccia anteriore e quella posteriore. Se la direzione di provenienza dell'onda è parallela al piano del diaframma i due percorsi risultano uguali e la differenza di pressione tra le due facce nulla. A seconda del principio su cui è basata la conversione di energia meccanica in energia elettrica, come abbiamo visto, si possono individuare due classi di microfoni. Sono a spostamento quei microfoni nei quali la forza elettromotrice in uscita è proporzionale allo spostamento dell'elemento mobile. Sono a velocità quelli nei quali la forza elettromotrice di uscita è proporzionale alla velocità dell'elemento mobile.

Tecnologie dei microfoni I microfoni si diversificano in base alla tecnologia di trasduzione meccanico-elettrica: • a condensatore • dinamici, elettromagnetici, a bobina mobile, a magnete mobile • a nastro

condensatore

elettromagnetico

a nastro (obsoleto)

Esistono vari altri tipi di microfoni e trasduttori (a carbone, piezoelettrici, gli idrofoni, i catodofoni, stetoscopi, laringofoni, etc.), ma non hanno senso in questo ambito o sono obsoleti. In particolare, gli idrofoni sono “microfoni” per l’ascolto in acqua; gli stetoscopi e i catodofoni sono l’equivalente per “ascoltare” vibrazioni su mezzi (un corpo, del metallo, un muro, etc.). Sono in uso degli stetoscopi detti microfoni endoossei (o microfoni craniali) per l’uso all’interno dei caschi (motociclisti, piloti, pompieri, etc.) che ricevono il segnale come vibrazione della scatola cranica. Qui illustrato uno stetoscopio (microfono per superfici) per l’ascolto via muro (per scopi di sorveglianza).

Qui invece un idrofono per la rilevazione di suoni nell’acqua. Analizzando il mezzo usato per la trasduzione in energia elettrica troviamo, oltre ai microfoni a condensatore ed a quelli elettrodinamici, altri tipi di sistemi. I microfoni a carbone erano usati nei telefoni (lo scricchiolio che si udiva nelle conversazioni era dovuto alla compressione ed al movimento delle particelle di carbone). I microfoni piezoelettrici utilizzavano dei frammenti di quarzo piezoelettrico o ceramiche speciali per convertire direttamente la pressione sonora in segnale elettrico, grazie all’effetto piezoelettrico. Sono ancora in uso come pickup a contatto (es. per strumenti musicali).

Vediamo ora quali sono le motivazioni di uso di un microfono per tipologia.

Condensatore Microfono a Condensatore (standard o elettrete) • facile da miniaturizzare • tipica risposta in frequenza molto ampia • tipica risposta in frequenza costante su tutta la gamma • richiede alimentazione • la maggior parte dei modelli è relativamente robusta e affidabile • tipicamente sono impiegati in applicazioni vocali e strumentali in registrazioni e nel rinforzo sonoro.

Dinamico Microfono Dinamico • non può essere facilmente miniaturizzato • tipica risposta in frequenza non molto ampia • tipica risposta in frequenza che tende a non essere costante su tutta la gamma • non richiede alimentazione • la maggior parte dei modelli è molto robusta e affidabile • tipicamente sono impiegati in applicazioni vocali nel rinforzo sonoro. Il microfono a condensatore può essere di tipo standard, se richiede alimentazione esterna o ad elettrete se utilizza una membrana capacitiva pre-caricata elettricamente.

Alimentazione e phantom I microfoni a condensatore non elettrete necessitano di un’alimentazione elettrica, detta phantom (cioè fantasma, a causa del fatto che risulta, appunto, invisibile), la quale viene fornita al microfono tramite i connettori audio che provengono dal banco mixer o apposite apparecchiature. L'alimentazione phantom viene applicata fornendo una corrente continua di +48V ai piedini 2 e 3 della linea microfonica bilanciata su connettore Cannon, mediante resistenze da 5600 Ohm.

Risposta in frequenza Una caratteristica che bisogna valutare in un microfono è la sua risposta in frequenza, legata a vari fattori, non ultimo la direttività. Si tenga conto che alcuni microfoni dispongono di un circuito elettronico che permette di variare la risposta in frequenza alle basse frequenza o la direttività. La limitazione alle basse frequenze è usata per evitare il rombo del vento e per il parlato, dove le esplosive possono creare problemi; solitamente è un filtro passaalto a 100Hz munito di interruttore. La direttività è gestita mediante un commutatore che, in un microfono a condensatore a due membrane contrapposte (fronte e retro) permette di: • metterle in parallelo (omnidirezionale) • usarne una sola (cardioide) • usarle in controfase (clava, otto o ipercardioide) In ogni configurazione si ha un cambiamento della curva di risposta in frequenza e sensibilità. Ogni microfono deve riportare la curva che rappresenta la sua sensibilità alla pressione a seconda della frequenza. Quello rappresentato in figura è un grafico caratteristico:

In genere la sensibilità alle basse frequenze subisce notevoli variazioni a seconda della distanza del microfono dalla sorgente sonora. Poiché può essere importante valutare questo parametro, in molti casi sono riportate diverse curve per le basse frequenze, a seconda della distanza. Un altro dato essenziale per la scelta di un microfono è la massima pressione al quale il microfono può essere esposto, che indica anche la possibilità d’uso su sorgenti ad alta pressione (es. tamburi, corni).

Nella figura un esempio tipico di microfono per la voce (es. Shure Beta 58A):

Per informazione, vengono ora fornite le immagini (Neumann) di due diversi tipi di microfoni: il TLM103, un tipico cardioide da studio e il KM184, multifunzione. TLM103, gradiente di pressione, cardioide, 20…20KHz, 87dB S/N Ratio, 138dB SPL Max

KM183/184/185, pressione e gradiente di pressione, omnidirezionale|cardioide| supercardioide, 20…20KHz, 81dB S/N Ratio, 141dB SPL Max

Forma e uso I microfoni si distinguono, ovviamente, anche per forma e il tipo di uso:

Collo d'oca (Crown LM-300A) Conferenze e assemblee Sono normalmente dei supercardioidi o cardioidi. Sono spesso inserite in sistemi di prenotazione e votazione

Omnidirezionale Boundary Sulle scrivanie Riprendono un’emisfera appoggiata sul piano della scrivania a cui sono appoggiati. Possono avere alcune features per migliorare la modalità di ascolto

Lavalier (Crown CM-10) I microfoni Lavalier sono spesso in radiofrequenza ed estremamente comodi. Soffrono tuttavia del rumore indotto dallo strofinio degli indumenti e della copertura della ricezione a causa dei movimenti del parlatore. Dispongono di una risposta in frequenza che compensa la risonanza della cassa toracica e la relativa coloritura del suono.

Da appendere (Crown CM-30/31) a soffitto Normalmente sono microfoni direzionali (supercardioidi) usati per ricevere segnale senza interazione con i parlatori.

Palmare (Crown CM-200A) A mano o su stativo Sono i microfoni per antonomasia; detti anche a gelato. Sono disponibili nelle varie versioni di caratteristica polare e tecnologica.

Headset (Crown CM-311) I microfoni a cuffia (Headset) sono di fatto una evoluzione dei Lavalier; Sono spesso in radiofrequenza ed estremamente comodi. Non soffrono del rumore indotto dallo strofinio degli indumenti e della copertura della ricezione a causa dei movimenti del parlatore.

Da stativo (da studio, Neumann) Spesso sono a condensatore e rappresentano l’eccellenza in termini di suono.

Array, sistemi intelligenti di più microfoni Permettono di installare una sola apparecchiatura per raccogliere il suono di più parlatori. In pratica, sono banchi di microfoni direzionali attivati dal livello sonoro in modo tale da utilizzare il segnale più elevato ricevuto nel singolo istante. Da ripresa remota (Audio Technica AT897 Line + Gradient Condenser Microphone)

Sono denominati anche a fucile (area di raccolta molto stretta) e a mezzo fucile. Sono i classici microfoni di ripresa esterna (telecamera, cinepresa, etc.).

Microfoni di misura Sono le unità di lettura dei sistemi di misura e controllo. Non sono applicati nell’audio in quanto tali.

Direzionalità e Diagrammi polari Ogni microfono possiede una sua specifica risposta direzionale, ed è buona norma osservare attentamente questa caratteristica di un microfono prima di acquistarlo. La risposta direzionale di ogni microfono viene riportata mediante un particolare diagramma, che si dice diagramma polare, ed è in genere riportata sulla confezione del microfono o nel manuale di accompagnamento.

Viene detto omnidirezionale il diagramma relativo ad un microfono il cui trasduttore sia sensibile in tutte le direzioni a 360°. Sono direzionali tutte le altre possibilità.

Un microfono bidirezionale è sensibile in due direzioni opposte l'una all'altra (una è quella che corrisponde alla pressione esercitata sulla parte frontale del diaframma, l'altra alla pressione esercitata sulla parte posteriore), ed è detto anche Figure8.

Un microfono cardioide è la combinazione di un omnidirezionale e di un bidirezionale, in modo da ottenere grafici particolarmente utili, con sensibilità accentuata sul fronte.

A seconda della della percentuale dell'uno e dell'altro, si hanno vari tipi di cardioide, che si si distinguono essenzialmente in cardioide semplice, supercardioide e ipercardioide.

Da sinistra a bidirezionale.

destra:

omnidirezionale,

cardioide,

supercardioide,

ipercardioide,

Il diagramma del microfono bidirezionale può essere orientato in qualsiasi modo (ad esempio con la maggiore sensibilità a 0° e 180° invece che a 90° e 270°) a seconda della scelta del costruttore; quella illustrata è una delle possibili scelte. Altri diagrammi particolari che si possono incontrare, si ottengono in realtà con disposizioni stereofoniche, ossia con l'uso di più trasduttori separati:

Ripresa stereofonica Esistono varie modalità di ripresa stereo, con microfoni (normalmente dei cardioidi) disposti in varie configurazioni e con strutture specializzate (p.es. teste artificiali contenenti delle capsule microfoniche). Tra le più diffuse:

Distanziati da 90 a 300cm, semplice, tradizionale, non molto precisa, con problemi alle basse frequenze.

Da 90 a 180° di angolo, imprecisa ma d’effetto.

Da 90 a 135°, a distanza da 4 a 30cm; immagine stereofonica precisa, non semplice come metodologia, descritta nella tabella sottostante. Definizione ORTF (francese) NOS (olandese)

Microfoni Cardioide Cardioide

Angoli e distanze 110° 20cm 90° 30cm

180 o Lynn T. Olson

Ipercardioide

135° 4.6cm

Faulkner

Bidirezionali

parallelo 20cm

Caratteristiche bilanciata e definita bilanciata con forte effetto stereofonico estremamente preciso molto naturale

Gli altoparlanti I sistemi di trasduzione elettroacustica nella diffusione sonora possono essere: • altoparlanti • sistemi di altoparlanti (casse acustiche) • sistemi di sistemi di altoparlanti (array di casse acustiche) Gli altoparlanti possono essere di tipo: • • • •

elettromagnetico o magnetodinamico, a bobina o a nastro elettrostatico, a condensatore piezoelettrico a gas plasma

I più diffusi sono il magnetodinamico e il piezoelettrico; il primo sfrutta le leggi dell’elettromagnetismo, il secondo il fenomeno della piezoelettricità dei cristalli; in tutti i casi l’altoparlante riceve in ingresso un segnale elettrico amplificato e il conseguente movimento del suo diaframma o dell’elemento vibrante genera variazioni istantanee della pressione che lo circonda, ovvero ciò che noi percepiamo come suoni. Vediamo in analisi un altoparlante magnetodinamico a cono.

Un altoparlante piezoceramico a tromba

Caratteristiche Le caratteristiche di un altoparlante sono normalmente descritte dai parametri codificati a suo tempo daThiele e Small. Parametro

Simbolo

Unità di misura

Fs

Hz

volume d'aria equivalente

Vas

m³ litri

fattore di merito meccanico

Qms

fattore di merito elettrico

Qes

fattore di merito totale

Qts

resistenza bobina mobile (in CC)

Re

ohm

Xmax

mm

Le

mH

Sensibilità

dB/1w/1m

massa mobile

Mms

gr

cedevolezza

Cms

mm/N

Fattore di forza

Bl

T-m

superficie d'emissione

Sd

cm²

frequenza di risonanza in aria libera

escursione massima induttanza bobina mobile efficienza misurata o SPL 1w/1m

Utilizzando questi parametri, calcolati o presi dalle caratteristiche tecniche degli altoparlanti, è possibile costruire il diffusiore che si preferisce. In rete sono disponibili svariati siti che spiegano sia il calcolo che l’uso di questi dati nella costruzione di casse acustiche.

Unità specializzate L’unità specializzata prende il nome dalla proprietà di questo apparato elettroacustico di riprodurre il suono limitatamente ad una specifica gamma di frequenze e si possono suddividere in tre tipi. il woofer – riproduce i suoni di bassa frequenza, da circa 20 Hz a circa 300 Hz

il midrange – riproduce i suoni di media frequenza, da circa 300 Hz a circa 2000 Hz

il tweeter – riproduce i suoni di alta frequenza, da circa 2000 Hz a circa 20 KHz.

Tra i tweeter troviamo gli esempi di altoparlanti non elettrodinamici.

Piezoelettrici, caricati a tromba, in cui l’elemento di trasduzione è costituito da una cialda piezoceramica, che si comporta come un condensatore e possiede una resa estremamente elevata ed un costo molto limitato. Sono spesso in uso in P.A. (public address, diffusione sonora).

A plasma, in cui la trasduzione è affidata a molecole d’aria ionizzate ovvero un arco voltaico ad alta frequenza. Oggetto di sperimentazioni da svariati anni, non è mai arrivato ad essere un prodotto realmente affidabile e di massa. Per approfondimenti: Ionovac, Magnat e Acapella Ionic Tweeter Sono reperibili sistemi di diffusione sonora che utilizzano altri tipi di altoparlanti, elettrostatici o varianti degli elettrodinamici, in particolare con forme che cercano di evitare i coni utilizzando sistemi planari o unità di trasduzione in parallelo (anche al fine di limitare la dimensione dei diffusori nella profondità), oppure tweeter a nastro, che usano un ribbon di metallo pieghettato in luogo della bobina mobile, per migliorare la risposta alle alte frequenze.

Audio professionale

Gli amplificatori

Un amplificatore è un dispositivo che modifica l'ampiezza, di un fattore moltiplicativo, del segnale che lo attraversa. Viene caratterizzato dal guadagno A, a volte espresso in dB. Più specificamente un generico amplificatore (lineare) ha un ingresso in cui entra il segnale da amplificare ed una uscita da cui esce il segnale amplificato, che è pari a A volte il segnale originale. Se il guadagno dell'amplificatore non è costante ma varia in base a determinate caratteristiche del segnale si parla di amplificatore non lineare. Gli amplificatori audio sono macchine che amplificano segnali elettrici in tensione o in potenza. Sono denominati PreAmplificatori gli amplificatori che amplificano in tensione sino ad arrivare a livello standard. Per fare un esempio, il livello emesso da un microfono (10mV) è insufficiente a pilotare un’unità di potenza o un un’unità di registrazione. Un preamplificatore opera quindi ad una normalizzazione di livello di tensione amplificando di un fattore (p.es.) 100 il segnale in ingresso. Sono denominati Amplificatori di potenza o semplicemente amplificatori le unità che sono in grado di pilotare i trasduttori di uscita (casse acustiche, altoparlanti) con sufficiente energia. Un amplificatore opera quindi amplificando di un fattore (p.es.) 100 il segnale in ingresso in termini di potenza. I preamplificatori sono quindi suddivisi per categorie e per scopo: • • • •

microfonici di linea di disaccoppiamento / di isolamento etc.

I preamplificatori devono operare senza distorsioni di alcun genere sulla banda necessaria per le unità accoppiate e per il fattore di moltiplicazione necessario, senza introdurre rumore di fondo. Le caratteristiche normali sono quindi: • • • • •

banda passante: 20…20KHz amplificazione: da un fattore 1 (disaccoppiatori) a oltre 1000 (microfoni e testine) livello d’uscita: da alcuni milliVolt a svariati Volt segnale/rumore: il più alto possibile (S/N Ratio > 70) distorsione armonica: la più bassa possibile (THD < 0.1%)

Gli amplificatori di potenza sono suddivisi per categorie e per scopo: • musicali (alta distorsione, elevata potenza, entro contenuti nelle casse) • di linea / a 100V / a tensione • a ponte (in bridge, ovvero come somma di due amplificatori) • per PA (public address) (robusti, banda stretta, alta distorsione) • HiFi • etc. Gli amplificatori devono operare senza distorsioni di alcun genere sulla banda necessaria per le unità accoppiate e per la potenza necessaria, senza introdurre rumore di fondo. Le caratteristiche normali sono quindi: • banda passante: 20…20KHz • potenza: da 0.3 a vari kilowatt (KW) • segnale/rumore: il più alto possibile (S/N Ratio > 70) • slew-rate: il più alto possibile (>20V/microSec) • smorzamento (damping factor): >200 • distorsione armonica: la più bassa possibile (THD < 0.1%) Gli amplificatori di potenza operano su carichi mediante fornitura di potenza. I carichi possono essere di tipo: • Diretti, ohmici o in corrente: o 4, 8, 16 Ohm • A linea, a trasformatore, in tensione: o 100V Le casse o diffusori in corrente (carico ohmico) non possono essere posti in serie o parallelo (standard) e consentono il trasferimento diretto tra amplificatore e diffusore (eccellenti prestazioni in termini di banda e distorsione). Le casse o diffusori in tensione possono essere poste in parallelo ed operano a tensione costante mediante trasformatori (colonne da chiesa, aula, etc.) che adattano il carico alla linea, assorbendo dalla linea il necessario livello di potenza per il diffusore. Le prestazioni in termini di banda passante e di distorsione non sono paragonabili ai carichi diretti.

Distorsione armonica La distorsione armonica totale (in inglese total harmonic distortion, da cui l'acronimo THD) è un parametro che ci informa della distorsione che un dispositivo induce ai segnali elettrici che passano al suo interno. Potremmo generalizzare dicendo che il contenuto in frequenza (con la possibilità che la modifica non sia uniforme alle varie frequenze) del segnale viene alterato passando attraverso il dispositivo, quindi in uscita avremo un segnale distorto.

La maggioranza delle persone avverte con difficoltà suoni provenienti da amplificatori audio, aventi una distorsione totale inferiore al 5%, purché la distorsione di terza armonica non risulti superiore a 2%. Decenni addietro, ai tempi della stesura dalle norme DIN, ormai ampiamente obsolete, fu stabilito che gli amplificatori Hi-Fi dovevano riportare un THD inferiore al'1% in corrispondenza della potenza dichiarata. Il THD viene sempre riportato sui manuali di istruzioni di apparecchi elettronici.

HiFi Alta fedeltà detto anche Hi-Fi (dall'inglese High Fidelity) è un termine generico che stava ad indicare prodotti audio e video di qualità superiore. Negli anni settanta/ottanta, la grande diffusione di impianti per la riproduzione del suono sempre più sofisticati, ha portato alla decisione di mettere ordine nella dilagante diversificazione delle soluzioni tecniche adottate dai vari costruttori, stabilendo delle norme meccaniche e parametri elettrici definiti standard, in conformità ai quali, un apparecchio poteva essere considerato a pieno diritto Hi-Fi (vedi norme DIN e RIAA). In linea di massima: • almeno 10W RMS • meno di 0.1% di THD • almeno 40..16KHz di banda a -3dB Principali parametri di valutazione delle apparecchiature Hi-Fi e degli amplificatori in generale: • • • • • • • •

Rapporto segnale/rumore (S/N Ratio, in dB, pesato o non pesato) rapporto dinamico (in dB, derivato dalla potenza e dal S/N R) Potenza (in Watt RMS) Slew rate (in V/microSecondo, velocità di risposta all’impulso) Risposta in frequenza (e linearità della stessa) (banda a -3dB) Distorsione armonica totale (THD %) Distorsione d'intermodulazione (IMD %) Wow & Flutter e Rumble (in giradischi e registratori, errori e rumori meccanici ed elettrici in dB) • Fattore di smorzamento (Damping Factor, quoziente tra Icarico e Iampli) • Fattore di separazione fra i canali (Diafonia o cross-talk, in dB) La definizione di potenza PMPO, attualmente utilizzata non ha alcuna relazione con la potenza reale, misurata in valore efficace o in valore RMS. La potenza PMPO (Peak Music Power Output) è la potenza erogata su un transiente piccolo a piacere su un carico ideale, per cui (p.es.) 3W RMS possono diventare 20 o 60 o 200W in modalità PMPO, a seconda della formula utilizzata.

Gli altoparlanti I trasduttori elettroacustici o meglio le casse e gli altoparlanti (o driver) reagiscono a precise condizioni di locazione acustica e di configurazione, che possono aumentarne la potenza o cambiarne la risposta in frequenza. Costituiscono l’elemento centrale di qualsiasi sistema di diffusione. Ne esistono di vari tipi ma quelli più diffusi sono il magnetodinamico e il piezoelettrico; il primo sfrutta le leggi dell’elettromagnetismo, il secondo il fenomeno della piezoelettricità dei cristalli; in tutte i due i casi l’altoparlante riceve in ingresso un segnale elettrico amplificato e il conseguente movimento del suo diaframma o del suo elemento vibrante genera variazioni istantanee della pressione che lo circonda, quello che poi noi percepiamo come suoni. Più specificamente gli altoparlanti per le basse frequenza (woofer) sono impiegati sia a radiazione diretta in cassa chiusa o aperta, sia a radiazione indiretta in cassa passa banda; gli altoparlanti per le medie frequenze (midrange) sono impiegati a radiazione indiretta, in cassa chiusa, caricati a tromba; gli altoparlanti per le alte frequenze (tweeter) sono spesso driver a compressione con un condotto di uscita a tromba.

Le trombe ritenute migliori sono quelle che soddisfano una legge di variazione esponenziale: A=Ag ekl dove A è l’area ad una data lunghezza l, Ag è l’area della gola e k è la costante di apertura.

Unità specializzate L’unità specializzata prende il nome dalla proprietà di questo apparato elettroacustico di riprodurre il suono limitatamente ad una specifica gamma di frequenze e si possono suddividere in tre tipi: il woofer – riproduce i suoni di bassa frequenza, da circa 20 Hz a circa 300 Hz il midrange – riproduce i suoni di media frequenza, da circa 300 Hz a circa 2000 Hz il tweeter – riproduce i suoni di alta frequenza, da circa 2000 Hz a circa 20 KHz.

Unità multivia La suddivisione delle bande audio nei tre intervalli classici (woofer, midrange e tweeter) anche se possibile, non è di sempre riscontrabile nei prodotti in commercio soprattutto per quanto riguarda gli estremi di banda, infatti per riprodurre adeguatamente gli estremi di banda vengono usate altre unità specializzate ovvero il sub-woofer e il super tweeter.

L’unità subwoofer è specializzata nell’emissione al di sotto dei 100-150Hz.

L’unità super-tweeter è specializzata nell’emissione al di sopra di 3-5KHz. L’unità multivia (sicuramente la più diffusa) è un sistema di altoparlanti con trasduttori di tipo diverso montati nella stessa cassa (o cabinet), per cui la gamma di frequenza a cui deve operare l’unità è ripartita in più porzioni (tramite un crossover) ed ognuna viene affidata ad un tipo di trasduttore, il numero di ripartizione effettuato determina il numero delle vie del sistema, quindi non necessariamente il numero delle vie corrisponde al numero di altoparlanti per esempio un sistema a due vie ne avrà almeno una per ogni altoparlante, ognuno incaricato della riproduzione di una determinata banda sonora, ma potrebbe avere anche un driver per gli alti e due altoparlanti per i bassi. Ciò indipendentemente dall'uso di crossover passivi (con un unico amplificatore) che attivi (con amplificatori separati).

Il sistema può essere suddiviso in base alla banda di frequenza che è incaricato di riprodurre: • unità a gamma intera (full range), che riproduce tutte le frequenze audio • unità a gamma quasi intera, che riproduce tutta la banda audio tranne gli estremi di banda • unità a gamma ristretta limitati intervalli di banda Tipicamente le unità multivia (tranne quelle a gamma ristretta) vengono divise anche per il numero di vie che utilizzano ovvero • Unità a 2 vie – costituite da un trasduttore per i medio-bassi e da un driver per i medio alti • Unità a 3 vie – costituite da un trasduttore per i bassi, uno per i medi,ed uno per gli alti • Unità a 4 vie - costituite da un trasduttore sub-woofer, da un medio-bassi, da un medio-alti e da un driver per gli alti. Il numero delle vie non è indice della qualità di un sistema: più è alto il numero delle vie e più è complicata la sua progettazione (a causa delle regioni di incrocio del crossover).

sistema multivia, subwoofer con due satelliti e cassa frontale

Cabinet e caricamento del trasduttore

Il ruolo della cassa non è di certo secondario per il corretto funzionamento dell’unità, sia per quella specializzata che per quella multivia. Ad essa è legata l’esigenza di ottenere una precisa risposta in frequenza. Le possiamo dividere in base alla loro costruzione e in base al tipo di montaggio dell’altoparlante: • cassa chiusa o sospensione pneumatica • cassa aperta (baffle infinito) • bass reflex • dipolo • linea di trasmissione • labirinto • tromba Esaminiamo quelle d’uso più comune. Per approfondire l’argomento e progettare un diffusore, sono disponibili in rete svariati siti anche con sistemi di calcolo. Cassa chiusa o a sospensione pneumatica, prende il nome dalla chiusura ermetica della cassa in cui viene montato l’altoparlante, al suo interno viene disposto del materiale fibroso che insieme alla chiusura ermetica della cassa contribuisce ad assorbire la radiazione sonora posteriore dell’altoparlante (l’altoparlante irradia sia anteriormente che posteriormente), evitando o al meglio minimizzando il cortocircuito acustico. Il cortocircuito acustico è che un fenomeno per cui la radiazione sonora anteriore e quella posteriore si confondono determinando un drastico peggioramento delle prestazioni alle frequenze più basse. L’altoparlante per i bassi deve essere munito di una sospensione morbida in quanto la compressione dell’aria presente nella cassa funge da riequilibratore della posizione del cono al termine dell’impulso sonoro.

Cassa aperta, prende il nome da una finestra che viene ricavata su di una delle pareti del mobile che può essere una semplice apertura oppure un condotto tra il volume interno della cassa e l’esterno, di solito cilindrico, serve al recupero in fase di porzioni utili (di gamma bassa) della radiazione posteriore dell’altoparlante, questo tipo di cassa viene detta cassa bass reflex, creando quindi un sistema accordato con un risuonatore ed un sistema di accordo (tubo).

Variante di questa tecnica è l’uso di un altoparlante o radiatore passivo. Il radiatore passivo opera come accordatore senza le problematiche connesse al tubo rigido ed alle relative interferenze.

L’altoparlante per i bassi deve essere munito di una sospensione rigida o semi-rigida in quanto la compressione dell’aria presente nella cassa non è sufficiente a fungere da riequilibratore della posizione del cono al termine dell’impulso sonoro.

Tra i tipi di casse acustiche più efficienti troviamo le casse caricate a tromba o a linea di trasmissione, dove l’onda posteriore anziché essere eliminata viene portata sul fronte in fase mediante un circuito di ritardo, ovvero un condotto di lunghezza significativa in campo audio cioè pari alla metà della lunghezza d’onda della frequenza di risonanza o d’accordo, tenendo conto che 100Hz in aria corrispondono a 3,4 metri.

In tutti i tipi di casse l’altoparlante può essere montato sia a radiazione diretta che a radiazione indiretta. Radiazione diretta è in pratica quando la membrana dell’altoparlante si affaccia direttamente sull’ambiente da sonorizzare. Radiazione indiretta è in pratica quando la membrana dell’altoparlante si affaccia su un’anticamera prima di arrivare all’ambiente da sonorizzare, questo sistema tende a migliorare l’accoppiamento acustico o un filtraggio più naturale della risposta. Nel caso in cui l’altoparlante (normalmente un woofer) venga montato all’interno del mobile su una parete delimitata da due camere (una anteriore all’altoparlante ed una posteriore) eventualmente raccordate tra di loro, si definisce a doppio carico bass reflex, se invece una è chiusa e l’altra raccordata si definisce a carico simmetrico, in tutti e due i casi si tratta di casse di tipo passa banda. Un altro tipo di sistema di radiazione indiretta è la cosiddetta tromba, ovvero il driver è posteriormente chiuso su di una camera senza apertura e anteriormente raccordato su un condotto a sezione crescente, potremmo definirla anche a radiazione diretta se consideriamo il raccordo parte del driver.

I Crossover

Per funzionare correttamente le unità multivia hanno bisogno che ogni altoparlante riproduca principalmente l’intervallo di frequenze assegnato, di questo compito se ne occupa il crossover.

È un apparato che svolge varie funzioni ovvero, rende uniformi i livelli di sensibilità dei vari trasduttori dell’unità; protegge i trasduttori delle frequenze medio-alte dai segnali di bassa frequenza, modella la risposta elettroacustica dei vari altoparlanti in modo da ottenere un andamento equilibrato della risposta in frequenza dell’unità. Il crossover è composto da diverse sezioni ognuna delle quali da celle di filtraggio che sono: i filtri passa-basso (che lasciano transitare solo le frequenze inferiori ad una certa frequenza detta di taglio), i filtri passa-alto (che lasciano transitare solo le frequenze superiori alla frequenza di taglio), e i filtri passa-banda (che lasciano transitare solo le frequenze appartenenti ad una certa banda di frequenze delimitata da una frequenza di taglio inferiore e da una frequenza di taglio superiore), è doveroso precisare che qualsiasi filtro non è mai in grado di eliminare completamente le frequenze indesiderate ma li riduce in modo più o meno consistente, la misura di questa riduzione è detta pendenza di attenuazione e viene misurata in dB/ottava.

Per esempio, un filtro passa-alto ha una pendenza di attenuazione di 6 dB/ottava e il suo taglio di frequenza è di 500 Hz, se riceve un segnale di 250 Hz (che è l’ottava inferiore alla frequenza di taglio) non riuscirà a fermarlo completamente ma lo attenuerà di 6 dB. La capacità di un filtro di ridurre le frequenza indesiderate viene detta selettività e chiaramente più è elevata l’attenuazione maggiore è la sua selettività. I filtri vengono anche suddivisi in famiglie di appartenenza, ovvero in base alla caratteristiche di filtraggio (Butterworth, Linkwitz, Bessel, Cebicev),la scelta del tipo di filtro da usare è determinata dall’ottenimento di una risposta acustica dell’unità. Un buon crossover fa in modo che nelle

regioni di incrocio, ovvero nell’intervallo di frequenze in cui più altoparlanti contribuiscono alla risposta, il livello di pressione sonora sia della stessa grandezza.

Il crossover può essere passivo (normalmente interno e si occupa di ripartire un segnale amplificato) o attivo (normalmente esterno e si occupa di ripartire un segnale preamplificato), tra i due è sicuramente più versatile il crossover attivo se non fosse per la necessità di dover utilizzare un amplificatore per ogni via. Nella figura superiore osserviamo un tradizionale crossover passivo a 12dB/ottava a tre vie senza resistenze di compensazione. Normalmente sono inserite reti di compensazione per gestire adeguatamente le potenze e le fasi in gioco, sia nei confronti degli altoparlanti (la potenza erogata da un woofer è spesso superiore a quella erogata da un tweeter) che verso l’amplificatore, che deve operare con un carico reattivo non trascurabile; nella figura che segue vediamo un crossover a due vie, a 12dB/ottava, con correzione delle risonanze e delle fasi.

L’Impedenza

L’impedenza è una grandezza elettrica che descrive la reazione di un’unità all’applicazione di un segnale al suo ingresso, un comportamento che varia a seconda della frequenza considerata. La caratteristica di impedenza (ovvero la conoscenza del comportamento dell’unità in base alla frequenza applicata) ci consente di rilevare eventuali incompatibilità di funzionamento con l’amplificazione finale, di ottimizzare il sistema di collegamento in caso di utilizzo di unità multivia o di unità specializzate (ottimizzando la rete di filtraggio passiva), e permette inoltre la definizione della potenza necessaria per l’applicazione di cui abbiamo bisogno.

L’impedenza è costituita da una parte reale (resistiva) e da una parte immaginaria (reattiva) detta reattanza, tutte e due le componenti sono determinate da vari fattori come i trasduttori, le casse o dal sistema di radiazione prescelto, e tutte e due sono variabili in base alla frequenza. Nel grafico, che rappresenta l'impedenza e la fase al variare della frequenza applicata, vediamo un punto di massimo che definiamo Fs o frequenza di risonanza. La parte destra del grafico, superiore a 500Hz, è dominata dall’influsso della parte reattiva; la parte centrale del grafico è la parte resistiva. Sul punto Fs notiamo che la fase è a 0°. Dato che l’unità presenta una impedenza complessa, si determina (in base alla frequenza) uno sfasamento tra corrente entrante e tensione ad essa applicata, determinando fenomeni di deterioramento del segnale audio (distorsione di fase) e un non ideale funzionamenti dell’amplificatore ad esso applicato. I dati qualificanti di un diffusore sono: • l’impedenza minima (che corrisponde al valore più basso d’impedenza) • l’argomento dell’impedenza che non dovrebbe eccedere i 30° per evitare un deterioramento della qualità delle frequenza riprodotte, e per consentire un ottimale funzionamento dell’amplificatore. Normalmente i diffusori sono disponibili con impedenza caratteristica di 4 e 8 Ohm.

Risposta in Frequenza La risposta in frequenza di un’unità sia di tipo specializzato che di tipo multivia è strettamente legata all’ambiente e alla posizione in cui viene misurata, il suo andamento è di solito rappresentato in forma grafica o tabellare, ed è la misura del variare del livello della pressione sonora in base al variare della frequenza.

Strettamente legata alla risposta in frequenza è la sua risposta assiale ovvero la rilevazione della sua risposta in base all’angolo di ripresa, tipicamente la rilevazione viene fatta a 0° o in asse, considerando l’angolo di 0° il centro del cono per le unità a radiazione diretta in cassa chiusa (o se è composta da più altoparlanti la metà della distanza che intercorre tra il loro cono e gli altri), e per le unità a radiazione indiretta in cassa aperta dobbiamo tener presente che il contributo sonoro del condotto (bass reflex) non è trascurabile quindi la risposta in asse si troverà tra il driver e la sua apertura. A volte viene fornita anche la misura della risposta in frequenza fuori asse con un’angolazione di circa 15° e 30° sia sul piano orizzontale che su quello verticale (tutti i due tipi di risposte in frequenza devono essere rilevate nel medesimo ambiente con le stesse condizioni e posizionamento). Bisogna tener presente che l’utilizzo di qualsiasi unità non è mai perfettamente in asse o fuori asse di 15° o 30° con il nostro ascolto, quindi è bene ricordare che i dati che ci vengono riferiti sono puramente indicativi in quanto risentono della posizione e dell’ambiente. Nella rappresentazione grafica della risposta in frequenza possiamo distinguere tre regioni caratteristiche di frequenza, ovvero roll-on (o roll-off inferiore), banda passante, roll-off. Roll-on è la salita in potenza in base alla frequenza analizzata, partendo dal limite inferiore della banda audio (20 Hz) avremo una salita con una pendenza di circa 12 dB ottava per gli altoparlanti con caricamento a cassa chiusa, e di circa 18 dB ottava per gli altoparlanti a cassa aperta.

Banda passante: è questa la regione di frequenza in cui possiamo individuare la gamma di funzionamento dell’unità. Nella regione di banda passante la curva di risposta tende a divenire diritta (tranne qualche avvallamento o rigonfiamento) e si ottiene determinando il picco di potenza di una frequenza e scendendo in una finestra di tolleranza di + o – 3 dB includendo nella banda passante tutte le frequenze che rispettano questo principio. Roll-off è la discesa in potenza della frequenza analizzata con una pendenza di circa 36 dB ottava (ogni ottava la pressione sonora diminuisce di 36 dB). Va inoltre considerato che la risposta in frequenza risente della collocazione e dell’ambiente a causa delle radiazioni indirette del suono per cui l’unica condizione per un corretto confronto fra diverse unità è la rilevazione della risposta in frequenza fatta in camera anecoica ovvero priva di qualsivoglia superficie riflettente (tipo sospesa nel vuoto). Un altro fenomeno che altera sostanzialmente la risposta in frequenza di un’unità è il power compression, causato dal riscaldamento della bobina mobile dell’altoparlante a seguito di un ampio passaggio di corrente (fenomeno non facilmente controllabile se non si dispone di un adeguato sistema di raffreddamento della bobina).

Sensibilità È strettamente legata alla risposta in frequenza, ed è il valore del livello di pressione sonora emesso dall’unità dopo l’applicazione di un segnale ai suoi morsetti, rilevata ad una distanza e in una posizione adeguata. Viene espressa in dB SPL (sound pressure level) e di solito ne viene indicato il suo valore massimo (MAX SPL – metro), la sua rilevazione è piuttosto complessa perché risente moltissimo della posizione (soprattutto per le unità bassi) e per la poca attendibilità per le misure fatte per frequenze inferiori ai 150 Hz (sia in camera anecoica che con i sistemi computerizzati). Si tenga conto che la collocazione e la presenza di pareti o superfici d’appoggio possono influenzare pesantemente i dati rilevati. La stessa superficie di appoggio dell’unità incrementa la sensibilità fino a 6 dB. Un aumento di sensibilità che può variare dai 3 ai 6 dB si ha se l’unità sia appoggiata ad un’ampia parete. Un’ulteriore incremento si può ottenere collocando l’unità nella convergenza fra due ampie pareti, anche qui il valore di incremento può variare dai 3 ai 6 dB. In pratica semplicemente agendo sulla collocazione della nostra unità potremmo avere un incremento di 18 dB. È chiaro che giudicare un’unità bassi in base ai dati della sua sensibilità rilevata in campo aperto, non è corretto e non è motivo di scelta tra i vari modelli disponibili. Qualche volta si confonde la sensibilità con l’efficienza, sono due concetti distinti e separati. L’efficienza è la misura percentuale dell’energia elettrica che viene convertita in energia sonora, e risente moltissimo del tipo di caricamento dell’unità (l’unità bassi a cassa aperta ha un’efficienza bassissima intorno al 1-2%, un’unità a tromba ha un’efficienza intorno al 10-15%.

La tenuta in potenza Rappresenta il massimo segnale accettabile dall’unità prima della rottura dell’altoparlante. Essendo l’individuazione di questo segnale piuttosto controversa a causa, sia della sua variabilità d’impedenza con il variare della frequenza applicata, sia per la tensione applicata ai morsetti dell’altoparlante che non essendo un carico puramente resistivo, comporta uno sfasamento tra corrente e tensione d’ingresso. Le norme internazionali prevedono per questo tipo di misura due alternative, in una l’uso di un segnale sinusoidale con una frequenza scelta all’interno della banda passante, l’altra l’uso di un segnale complesso con un gran numero di frequenze che coprano almeno una decade iniziando dal limite inferiore della banda passante. I dati per definire la tenuta in potenza sono il program capacity e il noise capacity. Il primo si riferisce al valore di picco di accettabilità di un’unità, il secondo il suo valore efficace (entrambe definiscono la tenuta in potenza di un’unità). Il valore di picco sarà più alto del valore efficace (in una sinusoide è pari ad 1,41 volte il valore efficace), quindi per avere un dato attendibile della tenuta in potenza utilizzeremo un altro parametro detto MIL maximum input level, ovvero il livello di tensione applicato all’unità che induce ad una distorsione inaccettabile (ad esempio il 10% di distorsione da intermodulazione), conoscendo il MIL e la sensibilità dell’unità possiamo stabilire la massima pressione sonora che la nostra unità ad una distanza adeguata può produrre, ovvero la minima tensione applicabile per produrre una gittata dell’unità accettabile (la gittata di un’unità è pari al quadrato inverso della distanza ovvero ad ogni raddoppio della distanza il valore scenderà di 6 dB).

La distorsione È d’uso affermare che un’unità genera distorsione e quindi emette suoni distorti quando tra il segnale da riprodurre ed il segnale riprodotto si accerti un’alterazione, che può essere composta sia da componenti sonore non presenti all’origine, sia nella variazione dei livelli della componente da riprodurre. La distorsione viene divisa in due tipi, distorsione armonica e distorsione da intermodulazione. Distorsione armonica: è il caso in cui vengono introdotte componenti sonore la cui frequenza coincide con le armoniche del segnale da riprodurre (su un segnale di 40 Hz, vengono riprodotte anche componenti pari ad un suo multiplo, 80 Hz, 120 Hz, 160 Hz ecc.). Le armoniche di distorsione vengono definite in base al valore del multiplo che le lega alla componente originaria, gli viene attribuito un ordine (80 Hz di secondo ordine – multiplo 2 della frequenza originale, 120 Hz di terzo ordine – multiplo 3 della frequenza originale ecc.) La sua entità detta THD – Total Harmonic Distorsion, è un valore percentuale che

rappresenta la media dei tassi di distorsione armonica di ogni ordine. Il THD varia a seconda della frequenza e della potenza applicata all’unità quindi avremo bisogno di una tabella composta dal valore di distorsione per ogni frequenza e della relativa potenza applicata per poter valutare correttamente un’unità, oppure di un valore comune di riferimento tipicamente 1000 Hz (caratteristica di distorsione). Distorsione da intermodulazione: è il caso in cui al segnale da riprodurre vengono aggiunte al segnale da riprodurre componenti date dalla somma e dalla differenza delle frequenze di base o dalle sue componenti armoniche (su un segnale di 40 Hz verranno introdotti segnali di frequenza 20 Hz, 60 Hz, 80 Hz ecc). Questo tipo di distorsione è la più deleteria perché impedisce la intelligibilità del segnale da riprodurre. Sarebbe auspicabile che i costruttori inserissero questo dato nelle caratteristiche dei loro prodotti.

La fase Qualsiasi sistema di altoparlanti opera uno sfasamento del segnale (quando la stessa frequenza viene emessa con un andamento sfalsato) con una sua conseguente diminuzione, aumento o cancellazione (in base al grado di sfasamento) Il nostro orecchio non è in grado di percepirne la variazione alle basse frequenza e quindi il panorama acustico non ne è fortemente influenzato. Su frequenze medie ed alte, invece, distorsioni di fase introducono problemi di riconoscimento posizionale degli strumenti. I sistemi di compressione digitale a perdita di dati (es. MP3) operano su questa caratteristica dell’orecchio umano cancellando interi settori di suono ritenuti non udibili o non rilevabili. La fase è essenziale per percepire la direzione e la posizione degli strumenti o degli speaker. Un errore di fase nelle frequenze medio-alte altera in maniera totale la percezione del suono. Se si prova ad invertire uno dei cavi che collegano l'amplificatore alle casse, si percepirà l'effetto di totale confusione e di disarmonia. In tutte le fasi di registrazione e riproduzione occorre porre la massima attenzione per non commettere errori che alterino la percezione dell'utente finale.

Cavi e connettori I cavi utilizzati per le connessioni audio sono un argomento spesso sottovalutato ma in realtà molto importante. Si ritiene che dei cavi di buona qualità sono in grado di “far suonare meglio” le attrezzature, indipendentemente dalla loro fascia di appartenenza. In una connessione tra due apparati esiste la Z di uscita dell’apparato emittente e la Z di ingresso dell’apparato ricevitore. Esiste una Z derivante dalla connessione.

L’impedenza propria del cavo si calcola con la formula:

dove: XL e XC sono, rispettivamente, le reattanze relative all’induttanza ed alla capacità specifiche del cavo dovute alle caratteristiche fisiche. Sono quasi sempre trascurate.

Quindi l’impedenza di un cavo è correlata alla lunghezza, alla sezione ed al tipo di materiale in uso (sensibile anche alla temperatura, che ne varia le caratteristiche). Come esempio, a 20° abbiamo (espresso in 10-6 Ωm = Ω·mm²/m): Argento Rame Oro Alluminio Acciaio Piombo

0.0159 0.0175 0.0244 0.0282 0.11 0.22

Si tenga conto che i conduttori sono definiti in sezione (mm2) ed usati a metri lineari. All’uso pratico, un conduttore di rame di 1mm2 di lunghezza pari a 100m (p.es. il

amplificatore – cassa, il cavo degrada sensibilmente l’accoppiamento. I cavi possono essere suddivisi per: • utilizzo o di segnale o di potenza • schermatura o schermato o non schermato • bilanciamento o bilanciato o non bilanciato I cavi di segnale sono in grado di trasportare livelli bassi di potenza (piccola sezione) e collegano trasduttori di ingresso (linee e microfoni) alle apparecchiature e le apparecchiature tra loro. I cavi di potenza sono di elevata sezione e collegano amplificatori a trasduttori. I cavi schermati dispongono di uno schermo (a spirale, a calza o a foglio) collegato a massa che protegge uniformemente il/i segnali passanti sul cavo, evitando le interferenze.

Cavi bilanciati e sbilanciati

In linea generale l’interno dei cavi bilanciati (balanced) e sbilanciati (unbalanced) può essere schematizzato in questo modo: 2 Conduttori: Unbalanced

3 Conduttori: Balanced

I cavi possono essere classificati a seconda del numero di conduttori usati (contenuti

nell’unica guaina): • Mono-polari + Schermo: equivale ad un bipolare. Usato per connessioni sbilanciate. • Bipolari: è assente la schermatura, dunque è adatto a connessioni di Potenza. • Bipolari + Schermo: in questo caso lo schermo non viene utilizzato per il trasporto del segnale. Adatto per connessioni Bilanciate o connessioni Sbilanciate con Schermo in comune (Stereo unbalanced, Insert…). • Multipolari + Schermo (Fruste): Possono avere un unico schermo in comune (immagine esempio) o uno schermo per ogni conduttore.

Mono-polare, sbilanciato, schermato (microfoni sbilanciati, linee, connessioni)

Mono-polare, sbilanciato, non schermato (casse, amplificatori)

Bipolare, schermato, bilanciato oppure

Stereo, schermato, sbilanciato (bilanciato: microfoni, linee, connessioni; sbilanciato: linee, connessioni)

Multipolare, schermato, sbilanciato

Materiali • • • •

Rame: Generalmente il più usato. Lega Rame-Bronzo: Più resistente dal punto di vista fisico (Per migliorare la resistenza fisica, il conduttore è fatto da più fili avvolti assieme). Oro, Argento: utilizzati per i connettori e non per i cavi. Il punto di connessione è placcato in oro per evitare le ossidazioni. Oxygen Free: Sono trattati chimicamente per migliorare la conduzione. Il problema è che durano mediamente 5 volte in meno dei normali cavi.

Connessioni Sono qui elencate le principali connessioni effettuate con connettori standard Jack, XLR e RCA. La descrizione dei connettori è disponibile nell’apposito paragrafo.

Ground Loop (Loop di Terra) Il Ground Loop (ovvero l’anello di terra che comporta l’introduzione del ronzio a 50 Hz dato dalla tensione di rete) nasce dalla seguente situazione:

Il dispositivo A e quello B sono alimentati, e pertanto vengono messi a terra (attraverso i loro chassis). Se le due Ground (dall’inglese: terra) G1 e G2 sono in comune, si ha un circuito chiuso, che invece di eliminare i disturbi, crea loro un percorso, ovvero un Ground Loop.

Tale problema è peggiorato nel caso di connessioni sbilanciate. Per ovviare a questo problema si deve tagliare il loop (tagliando letteralmente il cavo che trasporta la massa) in un punto ottimale, normalmente nel connettore su uno dei due lati, preferendo la soppressione della calza. ATTENZIONE: Mai tagliare il loop a livello dell’alimentazione, ma agire sul circuito delle apparecchiature. La strategia è quella di fare in modo che le messe a terra vengano convogliate nello chassis di un’unica macchina. ESEMPI DI CONNESSIONI per ovviare al problema del loop di Terra La connessione sbilanciata classica:

Lo schermo fa anche da negativo. In questo caso non è possibile intervenire tagliando lo shield poiché lo schermo è in questo caso un conduttore.

Cavi dual conductor + shield per connessioni Sbilanciato su Sbilanciato (Unbal to Unbal) sono utili per tagliare un Ground Loop.

La X determina il taglio che si deve fare, ovvero appena prima che lo schermo arrivi al source. Così facendo lo schermo esiste comunque per tutto il percorso del cavo, ma non essendo collegato a monte, non chiude un eventuale loop. Le interferenze e i disturbi vengono comunque schermati, come nel caso precedente. Cavi dual conductor per connessioni Sbilanciato su Bilanciato Unbal → Bal (Nei connettori Jack: TS → TRS). Fondamentalmente si ottimizza l’uscita Sbilanciata per farla arrivare a una Bilanciata.

Lo schermo Flottante (X = taglio) è coerente con le scelte fatte per il taglio del Ground Loop. Cavo Bipolare + Schermo per connessioni Balanced to Balanced (Jack TRS → TRS). In questo caso il Ring è ponticellato con lo Sleeve nel Source per avere una situazione simile alla precedente. Abbiamo un cavo che, dalla parte del source (quindi da dove parte il segnale) è composto da TIP con il segnale positivo, e RING e SLEEVE collegati tra loro. Lo schermo, come detto, è flottante. Cavo Bipolare + Schermo Sbilanciato su Sbilanciato (Unbal to Unbal) con connessione Jack TS → XLR: si agisce nella stessa maniera: al Tip colleghiamo i due conduttori (che dal XLR sono collegati ai Pin 2 e 3) lasciando lo schermo flottante per tagliare il Ground Loop. Allo stesso modo operiamo con connettori XLR → XLR (sempre con cavo bipolare + schermo). Dalla parte del Source lasciamo libero il Pin 1 dove normalmente colleghiamo lo schermo.

Effetto Pelle (Skin Effect)

L’effetto pelle è il fenomeno consistente nell'instaurarsi di una forza elettromotrice in un circuito elettrico a causa della variazione d'intensità della corrente che in esso circola. Il principale effetto prodotto dalla circolazione di una corrente è la creazione di un campo magnetico le cui linee di forza si concatenano con il circuito stesso. Il rapporto tra il flusso totale concatenato (Nj = numero di volte che il circuito elettrico si concatena con il flusso magnetico j) e la corrente (i) che lo produce si chiama coefficiente di autoinduzione o induttanza (L): L = Nj / i Se per qualche ragione la corrente ’i’ varia, anche il flusso da essa generato varia. Per la legge dell'induzione elettromagnetica, nel circuito elettrico nasce una forza elettromotrice il cui valore dipende dalla variazione di flusso e dalla rapidità con cui tale variazione avviene. In presenza di segnali di potenza, alle alte frequenze, si presenta il problema della autoinduzione a causa degli alti valori di corrente.

La zona contrassegnata con il colore giallo è la “Zona di svuotamento” (all’interno del conduttore) provocata dalla corrente di autoinduzione che si oppone al passaggio della corrente (vedi definizione) per questo motivo la corrente si “muove” verso l’esterno del conduttore. In questo modo diminuisce la sezione utile del connettore e conseguentemente aumenta la Z (parte resistiva) e la dissipazione di potenza. Il fenomeno della autoinduzione aumenta in funzione di: • •

Corrente circolante (potenza) Frequenza del segnale.

Il fenomeno è sensibile nelle connessioni di potenza di sistemi di diffusione per le alte frequenze, in cui occorre evitare compaia usando ottimi cavi di collegamento.

I connettori fisici: i disturbi

Un cavo sbilanciato dispone di un solo conduttore (in rosso) oltre alla massa. I connettori jack sbilanciati si distinguono perché hanno un solo anello nero di separazione. La calza è connessa su un solo lato per evitare fenomeni di ground loop.

Un cavo bilanciato dispone di due conduttori (rosso e blu nella figura) oltre alla massa. I connettori jack bilanciati si distinguono grazie al doppio anello nero di separazione. Nei connettori e nei cavi bilanciati, il segnale viene inserito in fase e controfase. Il ricevitore raccoglie il segnale su un ingresso differenziale, dove i segnali in fase (caldo/hot/rosso/+) e in controfase (freddo/cold/bianco/-) vengono sommati mediante inversione. In sintesi: output = S + -S trasporto = S & -S input = S + -S ovvero S1 = S0 + -(-S0) ovvero S1 = somma di S0 e inverso di –S0

In un cavo sbilanciato, un segnale (A) viene ripartito sui due conduttori, ma con fase opposta su ognuno di essi (B). Se un segnale estraneo (C) interferisce con un cavo sbilanciato, esso si somma al segnale (D). Se invece lo stesso segnale estraneo interferisce con un cavo bilanciato, esso si somma ad entrambi i segnali: quello in fase e quello in controfase (E). Quando il segnale sbilanciato giunge alla preamplificazione del mixer, il segnale estraneo viene amplificato assieme al segnale originario (F). Invece quando il segnale bilanciato giunge all'ingresso del mixer, la porzione in controfase viene riportata in fase e sommata alla porzione in fase. In questo modo il segnale estraneo subisce una cancellazione di fase,poiché esso si trova ora ad essere sommato a se stesso ma in fasi opposte. Dunque dalla preamplificazione del canale risulterà amplificato solo il segnale originario (G).

I connettori audio

In linea di massima, i connettori utilizzati in ambito audio sono: • • • • •

Connettore Connettore Connettore Connettore Connettore

Jack XLR DIN RCA Speakon

Connettore Jack

Sono • • •

disponibili nei formati: 2.5 mm (3/32") microjack 3.5 mm (1/8") minijack 6.3 mm (1/4") jack

È esistita una variante (storica) di 5mm, non più in uso. Una versione particolare è il cosiddetto connettore Nato (U174), in uso su ricetrasmettitori e cuffie, microfoni e caschi, a quattro vie ed un diametro di 7.14mm.

È definito TS o TRS a causa della forma: TS=Tip/Sleeve, TRS=Tip/Ring/Sleeve (punta, anello e manicotto).

1. 2. 3. 4.

Sleeve Ring Tip Anelli isolanti

A seconda dell'utilizzo le parti del connettore hanno diverse funzioni. Nome Sleeve

Output sbilanciato Messa a terra

Input sbilanciato Messa a terra

Bilanciato Messa a terra

Ring

Messa a terra

Messa a terra

Negativo/"Freddo"

Tip

Segnale

Segnale

Positivo/"Caldo”

Stereo Messa a terra Canale destro Canale sinistro

Connettore XLR

Il connettore XLR è utilizzato comunemente per le connessioni elettriche nel campo dell'audio professionale. Colloquialmente viene chiamato connettore Cannon in riferimento al costruttore originale: la Cannon Electric (adesso parte della ITT Corporation). Questo connettore è dotato di un sistema di blocco.

Prodotto per la prima volta negli Stati Uniti dalla Cannon Electric, la sigla XLR deriva dal nome originale Cannon X , a cui furono aggiunte prima un blocco (Latch) di sicurezza, e poi un isolante di gomma (Rubber) attorno ai poli. Un connettore XLR può avere diversi schemi di piedinatura, i tipi più comuni sono a tre, quattro e cinque poli. Numerosi produttori, tra cui Neutrik e Alcatel, producono questi connettori, sia in versione con contatti a saldare che con terminazioni a perforazione d'isolante.

Esistono varianti a contatti diversi, da 2 –alimentazione- a 7 poli –video-. Nell’audio è usato il formato XLR a 3 contatti.

Pin / Funzione 1 Massa (schermatura del cavo) 2 Polarità normale ("caldo") 3 Polarità inversa ("freddo") Guardando il connettore femmina, il pin in alto a sinistra è il numero 2, quello in alto a destra è il numero 1 e quello in basso è il 3. Guardando il connettore maschio, il pin in alto a sinistra è il numero 1, quello in alto a destra è il numero 2 e quello in basso è il 3. Come regola, il connettore maschio è usato come uscita e il connettore femmina come ingresso. I microfoni hanno un connettore maschio integrato come uscita, mentre un cavo audio è di tipo maschio/femmina. Un mixer audio presenta dei connettori femmina agli ingressi, mentre le uscite e i ritorni saranno maschi. Esistono diversi modelli di connettore "combo" femmina in grado di accettare sia XLR che Jack.

Sono i connettori principalmente usati per i microfoni, i quali possiedono un’uscita XLR maschio. Il cavo di collegamento sarà quindi munito di un XLR femmina per il collegamento. Anche se XLR è un connettore nato e usato principalmente per connessioni bilanciate, può accadere che sia stato collegato per una connessione sbilanciata. Nel caso si controllino i collegamenti, come sotto illustrato.

Connettore DIN

Un connettore DIN (Deutsches Institut für Normung) è un tipo di connettore a più pin. Esistono due famiglie di connettori DIN: quelli normali e quelli in versione mini. Un numero viene usato alla fine del nome per identificare il numero del pin del connettore, eventualmente con l’indicazione della disposizione dei pin. Per esempio, il connettore mini-DIN4 è un connettore del tipo piccolo con quattro pin. Un connettore DIN-5-270 dispone di 5 pin disposti su un arco di 270°.

Connettori DIN-3 e mini-DIN-3 sono stati usati in maniera diffusa nell'audio-tecnica, per connettere vari tipi di microfoni. Connettori DIN-5 (nella versione a croce) erano usati per le cuffie. Connettori DIN-5 (nella versione a 180°) sono stati usati in maniera diffusa nell'audio tecnica, per connettere vari tipi di apparecchiature. È inoltre usata per le connessioni MIDI. Il connettore DIN a 5 poli veniva utilizzato nel settore audio consumer, ormai è in disuso il suo posto è stato preso dal connettore RCA e dai vari connettori digitali.

Il connettore DIN offre un buon contatto elettrico, una pessima resistenza meccanica e una pessima resistenza alla trazione. A seconda dell'apparecchio che lo monta il connettore DIN può assumere diverse piedinature. Di seguito alcuni esempi. Amplificatore - presa per Registratore / Deck

Contatto N° / Descrizione 1 Uscita Audio canale sinistro 2 Massa 3 Ingresso Audio canale sinistro 4 Uscita Audio canale destro 5 Ingresso Audio canale destro Amplificatore - presa per input generico, Giradischi, Tuner, etc. Contatto N° / Descrizione 1 N.C. 2 Massa 3 Ingresso Audio canale sinistro 4 N.C. 5 Ingresso Audio canale destro Deck - presa per Amplificatore

Contatto N° / Descrizione 1 Ingresso Audio canale sinistro 2 Massa 3 Uscita Audio canale sinistro 4 Ingresso Audio canale destro 5 Uscita Audio canale destro Deck - presa per Microfono

Contatto N° / Descrizione 1 Ingresso Audio canale sinistro 2 Massa 3 N.C. 4 Ingresso Audio canale destro 5 N.C.

Nelle connessioni MIDI, il connettore DIN 5/180° è usato per i tre tipi di connessione: MIDI-IN MIDI-THRU MIDI_OUT In particolare, la connessione è la seguente 1,3 non collegati 2 massa 4 source 5 sink La connessione MIDI è una connessione seriale in corrente a 31.250bps, che consente il collegamento di strumenti musicali, effetti, sistemi, etc. in tempo reale. Attualmente le connessioni MIDI sono effettuate anche con connettori Mini-DIN e con spinotti RCA. Inoltre, la disponibilità di connessioni ad alta velocità quali USB e FireWire consente l’uso del trasporto dell’informazione MIDI su canali prestazionalmente superiori.

Connettore RCA

I connettori RCA sono conosciuti anche come prese cinch o connettori phono. Quest'ultimo termine deriva dall'abbreviazione della parola inglese phonograph (giradischi), poiché lo scopo iniziale delle connessioni RCA (anni ’40) era il collegamento di un giradischi a un ricevitore radio, usato come amplificatore. Non è molto resistente è non è particolarmente usato in ambito professionale.

È usato in vari ambiti, sia in audio che in video che in digitale. la tabella che segue ne illustra i colori: Audio analogico Sinistro/Mono Destro Centrale Surround sinistro Surround destro Surround posteriore sinistro Surround posteriore destro Subwoofer Audio digitale S/PDIF Video composito analogico Composito Video a componenti analogico (YPbPr) Y Pb Pr Video a componenti/VGA (RGB/HV) R G B H/Sincronismo orizzontale V/Sincronismo verticale

Bianco Rosso Verde Blu Grigio Marrone Ocra Viola Arancione Giallo Verde Blu Rosso Rosso Verde Blu Giallo Bianco

Connettore SPEAKON

Il connettore Speakon è un tipo di connettore spesso usato nei sistemi di audio professionale per connettere un altoparlante ad un amplificatore. È disponibile a 2, 4 e 8 poli.

Come si può notare il connettore a due poli può essere inserito nella presa a 4 ma non viceversa.

Lo stesso produttore produce un altro tipo di connettore PowerCon, che è stato progettato per supportare potenze maggiori del normale segnale audio. Per maggiore sicurezza, il segnale audio e l'alimentazione non sono connettibili tra di loro.

Il connettore Speakon, progettato per le connessioni di potenza nel campo audio (amplificatore – diffusori) dispone di un sistema di bloccaggio che può essere utilizzato per connessioni con saldatura o ad avvitamento. Sostituisce le vecchie connessioni a fili liberi su morsetto a vite o su inseritore a ghigliottina e l’uso dei jack da 6,35mm.

Le apparecchiature di controllo

Mixer

mixer da regia live Il mixer (mixer audio), è una apparecchiatura utilizzata per mixare segnali audio, utilizzato dalle persone addette alla regia di spettacoli teatrali, televisivi, concerti e dai DJ. Un mixer si differenzia da un altro per molti aspetti, numero di canali, sensibilità dei controlli per il volume, funzioni in generale e amplificazione o meglio dire preamplificazione. Il numero di canali determina il numero di periferiche di riproduzioni audio, inseribili nel mixer, quindi determina anche il numero di suoni udibili contemporaneamente. I mixer da regia, a differenza dei mixer per dj, dispongono di un notevole numero di canali che va da 12 fino a 24-48 canali ed oltre (es. 96) per le workstation da studio di registrazione, che permettono la variazione dei volumi, dei toni, del segnale audio presente su quel canale. Il mixer da regia permette inoltre di indirizzare una parte del segnale dei singoli canali verso eventuali effetti esterni, come delay, riverberatori, equalizzatori, ecc. I mixer da regia principalmente servono per regolare i volumi dei microfoni e per creare un'immagine stereofonica. La qualità sonora di un mixer è data principalmente dalla qualità dei preamplificatori, dei filtri, dei fader (Il potenziometro, in questo caso detto a 'slitta' serve per regolare il volume

di ogni canale) dalla quantità di distorsione armonica totale, ovvero della misura in cui ogni dispositivo audio altera il contenuto in frequenza del segnale. I mixer possono essere manuali (ovviamente) o automatici. I mixer automatici sono programmabili e possono effettuare operazioni (normalmente legate al livello) durante i brani, per esempio, di un concerto. Negli ultimi dieci anni si sono imposti sul mercato con sempre maggiore insistenza i mixer digitali, che convertono il segnale analogico in digitale e lo processano in dominio completamente digitale al loro interno. I mixer digitali dispongono di indubbi vantaggi sia per quanto riguarda il rumore e la distorsione (limitati alla sezione di digitalizzazione) che all’usura meccanica (e quindi instabilità e rumore) degli slider (potenziometri del volume) che alla possibilità di automazione delle operazioni.

mixer da studio di registrazione

Componenti

I diversi tipi di mixer condividono la stessa struttura, che consiste essenzialmente nel trattare segnali sonori provenienti da diversi canali di ingresso e sommarli in uno o più canali di uscita.

Vediamo in dettaglio le varie sezioni che compongono un mixer.

Canali di ingresso Ciascun canale di ingresso riceve il suono da una sorgente, che può essere ad esempio un microfono, uno strumento musicale elettronico, un riproduttore di CD o altra fonte sonora. A seconda del particolare tipo di mixer e dell'uso per cui è progettato, ciascun canale possiede una combinazione di funzionalità. Nel layout della consolle, ciascun canale occupa una striscia verticale nella maggior parte dei modelli, e molto raramente orizzontale.

17 inserzione diretta, 3 Linea, 1 Microfono, 15 uscita diretta

Connettori di ingresso Questa sezione contiene uno o più connettori per i cavi di segnale. Tra i connettori usati troviamo gli XLR (noti anche come Cannon, a bassa impedenza usati tipicamente per i microfoni), i Jack (alta impedenza, usati per sorgenti "in linea" come tastiere o amplificatori) e gli RCA (usati per lettori CD e simili).

Stadio di ingresso Questa sezione si occupa di adattare il segnale elettrico in ingresso alle caratteristiche del mixer. Contiene un potenziometro per regolare il livello (Gain) [4], e talvolta altri controlli, ad esempio per l'alimentazione remota di un microfono a condensatore (Phantom). È spesso disponibile un pulsante che permette la rotazione della fase dell’ingresso. Equalizzatore Questa sezione si occupa di bilanciare le componenti del suono nelle varie bande di frequenza [6]. Tipicamente gli equalizzatori sono a tre o quattro bande, e su mixer di fascia medioalta alcune bande possono essere parametriche, ovvero è possibile modificare la frequenza centrale ed eventualmente l'ampiezza di ciascuna banda. È presente talvolta un filtro passa-alto (HPF); la frequenza di taglio è generalmente fissa (tipicamente 80 / 100 Hz) [5]. Sui mixer di fascia alta tale frequenza è modificabile ed è talvolta presente anche un filtro passa basso (LPF). Mandate Monitor Questa sezione contiene uno o più potenziometri per regolare l'invio di segnale ai canali di monitoraggio (palco o studio). Questi canali generalmente sono pre-fader, ovvero il livello del segnale inviato ai monitor non viene influenzato dal livello del fader, ma possono anche essere settati come post-fader, e in questo caso risentono del livello dei fader [8]. Mandate Effetti Questa sezione contiene uno o più potenziometri per regolare l'invio di segnale ai canali destinati a processori di effetto. Questi canali sono post-fader, ovvero il livello del segnale inviato ai monitor viene influenzato dal livello del fader [7]. Selettore dei gruppi Presente solo su mixer di fascia più alta. Ogni canale della consolle presenta uno o più tasti che abilitati convogliano il segnale audio a gruppi di canali in uscita. Nei sistemi di studio di registrazione questo permette di assegnare la/le piste a cui inviare il segnale di ingresso, attraverso il gruppo selezionato. [11, 12] Pan-pot Questo potenziometro permette di distribuire il segnale tra i due canali di uscita principali, costruendo una immagine sonora stereofonica [9]. Tasti di controllo Pulsanti che permettono il Muting del canale [10] o l’ascolto da Solo [13] Potenziometro (Fader) Questo potenziometro, tipicamente a slitta, regola l'invio del segnale ai canali di uscita principali, o ai gruppi se presenti. [14]

Canali di uscita Master Questi sono i canali di uscita principali, solitamente due (destro e sinistro), in consolle di fascia alta è presente una terza uscita denominata mono, generalmente dedicata all'alimentazione di subwoofer. Il master è principalmente usato per alimentare l'impianto di amplificazione in ambiente live, ma anche apparecchiature per registrazione (sala d'incisione) in fase di mix-down, ovvero quando il segnale multitraccia registrato viene miscelato per originare il master stereo. [6] Monitor Questi canali sono usati per alimentare gli altoparlanti (comunemente detti spie) usati dai musicisti per ascoltarsi durante l'esecuzione. Ciascun musicista o gruppo di musicisti può sentire sul palco una diversa combinazione di strumenti. [1] Effetti Questi canali alimentano processori di effetti interni o esterni, permettendo di alimentare l'effetto con una combinazione specifica dei canali in ingresso. Il segnale prodotto dal processore di effetto viene tipicamente reinserito in un canale di ingresso. Molti mixer posseggono canali di ingresso semplificati specificamente per questa funzione. [20-25] Gruppi Questa funzionalità permette di raggruppare i canali di ingresso in gruppi che possono essere regolati in modo unitario, ad esempio la batteria o una sezione di strumenti omogenei. [3] I gruppi e i bus consentono inoltre l’invio del segnale alle piste del registratore multi-traccia.

Applicazioni

Di seguito sono illustrate alcune applicazioni di mixer in ambiti professionali. Nelle figure sono indicate genericamente le prese disponibili su un ipotetico mixer, suddivise in: • • • • • • •

ingressi di canale (linea e microfono) ingressi di linea uscite ausiliarie uscite principali uscite dirette (multi-traccia) aggancio processori ed effetti (ingressi e uscite) alimentazione

Live

In questo caso abbiamo un sound reinforcement ovvero l’uso del mixer per la sonorizzazione di un concerto dal vivo. Vediamo che sono collegate direttamente al mixer le tastiere elettroniche, come input di linea; sono indicati come eventuali i sistemi subwoofer e gli eventuali registratori (stereo o multi-pista) connessi al sistema per la registrazione dal vivo.

Registrazione

In questo caso vediamo l’uso del mixer per la registrazione in studio su registratore multipista. Sono collegate direttamente al mixer le tastiere elettroniche, come input di linea. La batteria è registrata da un gruppo di microfoni evidentemente separato da quelli tipici della voce o di ripresa di strumenti. Sono inoltre presenti il registratore multipista, il registratore stereo (per il mix-down finale), gli effetti (es. riverbero, speech processor, etc.) ed il compressore. Si noti la cuffia separata ed amplificata per la mandata in sala (per i cantanti e gli strumentisti) ed il sistema di ascolto, composto da diversi tipi di amplificazione e diffusione, in grado di fornire a chi effettua le registrazioni la sensazione che avrà l’utente finale nell’ascolto reale.

Conferenza

In questo caso vediamo l’uso del mixer per la diffusione di una conferenza. Nel caso in cui la conferenza sia diffusa via radio o televisione occorre prevedere una connessione specifica, esattamente come se si desidera registrare il suono. Spesso sono connesse apparecchiature di produzione sonora sia per comodità operativa (es. preparazione e sound check) che per gli intervalli. Sono connessi, oltre all’eventuale sistema video, un equalizzatore grafico per la correzione della risposta della sala ed un compressore-limitatore per migliorare la performance del sistema in presenza di parlatori troppo forti o troppo deboli.

PostProduzione

In questo caso vediamo l’uso del mixer per la post-produzione video. Si presuppone che la registrazione audio sia effettuata sul video principale. Sono connessi, oltre all’eventuale sistema video, un’unità di effetti per il miglioramento del suono della voce dello speaker e un’unità per la produzione di effetti speciali per la sonorizzazione del video.

Mixer automatici e matrici Nell’uso pratico, spesso sono in uso apparecchiature che semplificano la vita degli operatori. I banchi mixer sono quindi spesso automatizzati sia in maniera stand-alone che in maniera collegata a PC (in ambito di produzione musicale i più usati sono gli Apple Mac). In questi casi, il primo missaggio viene registrato e fissato in memoria. Successivamente si opera in correzione e completamento. L’automazione è principalmente sui livelli: • livelli (fader) • filtri In sostanza viene automatizzato il processo di miscelazione e filtraggio; non le mandate ed i ritorni ed i controlli relativi. Nell’ambito delle assemblee e conferenze sono in uso sistemi di automazione di diverso tipo: • matrici di commutazione o manuali o automatiche • mixer automatici • mixer intelligenti

Matrici Le matrici di commutazione sono sostanzialmente dei banchi di interruttori che permettono di attivare un singolo microfono da una serie complessa. In fase di installazione e di manutenzione sono effettuate tutte le regolazioni che riguardano i volumi generali, la sensibilità di ciascun canale microfonico e ausiliario e la filtratura. I sistemi automatici possono essere connessi a un sistema di coda di prenotazione; spesso sono parte di un sistema di votazione elettronica (electronic poll systems, voting systems). La prenotazione avviene normalmente premendo un bottone alla base del microfono. Il presidente o il moderatore ha visione delle prenotazioni effettuate e può assegnare la parola o rifiutare mediante una pulsantiera.

Le matrici sono spesso correlate a sistemi di ripresa video ed a sistemi complessi di telecamere e banchi regia video.

Mixer automatici I mixer automatici sono unità nelle quali è il parlatore che impone l’apertura del canale, semplicemente cominciando a parlare. Sistemi di programmazione molto semplici (dip switch) consentono di impostare delle regole operative (es. velocità di commutazione, microfono del moderatore, etc.). Sono interfacciabili con microfoni predisposti e possono essere connessi in gruppi a cascata. Sono disponibili sistemi più complessi interfacciabili a sistemi informativi. Le illustrazioni sono relative a sistemi a 8 e 4 ingressi.

Mixer intelligenti I mixer intelligenti sono mixer automatici nei quali le regole possono essere cambiate durante le operazioni mediante un personal computer o una apposita interfaccia e spesso sono connessi a sistemi di regia evoluta. Spesso sono digitali e connessi al sistema di controllo mediante interfaccia di rete locale.

Di seguito le specifiche di un mixer automatico digitale intelligente •

10 channel input (Mic/Line)

• • • • • •

24-bit ,48khz digital audio converted to analog output frequency response +/-0.2dB，20Hz~20kHz THD plus noise :