LE GUIDE DEL CAR AUDIO

Lo Staff Hi-Fi Car Boccolucci ha raccolto per Voi una serie di interessanti guide per entrare nell'affascinante mondo del suono e dell'audio di qualità. Non solo le basi e le vecchie concezioni del car audio e dell'ascolto in generale, ma una vera e proria carrellata delle nuove tecnologie, degli standard audio digitali e del futuro della musica e dell'hifi car.

Propagazione del suono

Abbiamo detto che il suono si propaga nei mezzi elastici, fra questi ovviamente l’aria. Per capire come questo avvenga in pratica consideriamo la struttura dell’aria. Questa è formata da tante molecole unite fra di loro da legami elastici. Possiamo immaginare le molecole di aria come sfere unite ad altre sfere tramite molle. Quando un corpo vibra, comunica il suo movimento alla prima molecola d’aria, (la prima sfera nel modello). Questa molecola spostandosi in avanti “spinge” la molecola successiva, la quale “spinge” quella a sua volta successiva, e così via. Un attimo dopo i legami elastici, (le molle nel modello), “richiamano” indietro la molecola nella sua posizione iniziale di equilibrio. Per effetto della forza d’inerzia la molecola supera il punto centrale di equilibrio, raggiungendo una posizione quasi speculare al punto di massima escursione in avanti. Questi movimenti si trasmettono alle molecole contigue in un certo tempo. Per effetto di tali movimenti avremo delle zone in cui vi è compressione dell’aria, e delle altre in cui vi è rarefazione.

onda longitudinaleonda trasversale

Data una sorgente di suono, questo si propaga allo stesso modo in tutte le direzioni. Possiamo dire che si propaga secondo fronti d’onda sferici. La superficie del fronte d’onda aumenta in proporzione col quadrato della distanza dalla sorgente. Di conseguenza l’energia che possiede il fronte d’onda si distribuisce su tutta la superficie, per cui su una singola unità di superficie avremo un’energia che decresce proporzionalmente al quadrato della distanza. Siccome l’energia è proporzionale all’intensità sonora, possiamo dire che:

Volendo esprimere in decibel questa variazione:

Quindi se ad esempio misuriamo un intensità di 100 dB ad un metro da un diffusore acustico:

Si nota quindi come il fattore distanza sia molto rilevante nell’attenuazione dell’intensità acustica.
Il suono si propaga ad una velocità che dipende dalla natura del mezzo elastico in cui si diffonde. Inoltre tale velocità è influenzata, sebbene in misura minore, dalla temperatura, dalla pressione e dall’umidità. Vediamo qual’è la velocità del suono in alcuni mezzi elastici (in metri/secondo):

Fra i compiti del tecnico vi è quello di allineare l’impianto, ossia di applicare un ritardo ad ogni diffusore acustico in modo che il suono riprodotto dai vari diffusori giunga all’ascoltatore nel medesimo momento. La seguente tabella ci dice quale ritardo è necessario applicare in funzione della distanza:

T = m / 340

Un’altra grandezza importante legata alla propagazione del suono è la lunghezza d’onda, ossia la distanza fra due punti consecutivi dell’onda che vibrano in concordanza di fase.

La lunghezza d’onda si misura in metri ed è funzione della frequenza e della velocità di propagazione secondo la formula:

λ = v / υ(λ =lunghezza d’onda, v = velocità di propagazione, υ = frequenza)

La lunghezza d’onda assume un importanza particolare quando ha una misura paragonabile con le dimensioni dell’ambiente ove si diffonde il suono, in quanto determina direttamente il fenomeno delle onde stazionarie (che verrà esaminato in seguito). Riproduciamo una tabella che mostra la lunghezza d’onda in aria libera, per alcune frequenze udibili.

CapacitA' dell’udito umano

Abbiamo fin qui esaminato il suono e la sua propagazione secondo dei principi fisici, definendone alcune grandezze fondamentali quali la frequenza e l’intensità. La domanda che ci poniamo ora è: Quali suoni sono in grado di essere percepiti dal nostro orecchio?
La capacità dell’udito umano varia fortemente da individuo a individuo, e decade nelle prestazioni con l’aumentare dell’età. Appositi studi fonometrici hanno stabilito che mediamente:

 Tale gamma di suoni è chiamata gamma udibile. I suoni la cui frequenza è al di sotto dei 20 Hz sono chiamati infrasuoni (o gamma subsonica). I suoni la cui frequenza eccede i 20.000 Hz sono chiamati ultrasuoni.
Alcuni animali hanno una gamma udibile maggiore di quella dell’uomo, in particolare per quanto riguarda il limite superiore. Vi sono ad esempio alcuni ultrasuoni che possono essere uditi dai cani ma non dall’uomo.
Se consideriamo i suoni compresi nella gamma udibile, ci accorgiamo che all’aumentare della frequenza, non aumenta linearmente la sensazione dell’altezza del suono. Per esempio fra un suono a 20 Hz e un suono a 30 Hz, ad una differenza di 10 Hz corrisponde una chiara differenza nell’altezza del suono udito. Fra un suono di 6.000 Hz ed uno di 6.010 Hz, pur con una differenza sempre di 10 Hz, non corrisponde nessuna differenza udibile nell’altezza del suono. Dobbiamo quindi considerare la gamma udibile non come linearmente correlata alla sensazione dell’altezza dei suoni.
L’acustica musicale ci suggerisce il modo di stabilire una relazione diretta fra frequenza e sensazione di altezza dei suoni. Musicalmente infatti la gamma udibile è divisa in un certo numero di ottave ed ogni ottava in un certo numero di note (12 nella scala temperata occidentale). È a tutti chiara l’affinità sonora che vi è fra le note corrispondenti di ottave diverse, ad esempio il do della prima ottava con il do della seconda. Possiamo in definitiva dire che la suddivisione della gamma udibile in ottave e note musicali, dal punto di vista dell’altezza del suono, soddisfa pienamentela nostra esigenza di avere intervalli di frequenze che rappresentino in qualunque punto della gamma, la stessa differenza come risultato sonoro.
Presupposto fondamentale della divisione dei suoni in ottave e in note è che: data una nota appartenente ad un’ottava, la corrispondente nota appartenente all’ottava successiva avrà una frequenza doppia.
Se, secondo le convenzioni internazionali, il la centrale ha frequenza di 440 Hz, il la dell’ottava successiva avrà frequenza di 880 Hz, e quello della seguente 1760 Hz.
Possiamo finalmente dividere la nostra gamma udibile in un modo aderente alla sensazione che noi abbiamo dell’altezza dei suoni. Le ottave standardizzate internazionali hanno le seguenti estensioni:

La linea tratteggiata rappresenta la soglia di udibilità, quindi possiamo osservare per esempio, che un suono avente una frequenza di 31,5 Hz ed un’intensità di 30 decibel non viene percepito dall’orecchio umano.
Le curve del disegno uniscono i punti in cui alle varie frequenze la sensazione dell’intensità del suono sono uguali, ad esempio se un suono a 1000 Hz di intensità 20 dB mi produce una certa sensazione, per avere quella stessa sensazione a 63 Hz avrò bisogno di circa 45 dB.
Per esprimere l’intensità sonora non secondo i parametri fisici ma secondo quelli dalla sensibilità umana, viene introdotta una nuova unità di misura: il phon.
Il phon rappresenta linearmente la sensazione dell’intensità sonora. Alla frequenza di 1000 Hz il valore del phon coincide con quello del decibel.

Armoniche di un suono

I suoni dei quali abbiamo studiato l’origine e al propagazione sono stati rappresentati rispetta al tempo con una sinusoide. In realtà si tratta di un caso molto particolare in quanto i suoni hanno un andamento di solito più complesso. Tuttavia non è sbagliato limitare la nostra attenzione al suono sinusoidale, infatti a qualsiasi suono complesso, potendosi comunque rappresentare con una funzione periodica, possiamo applicare il teorema di Fourier:

Quindi ogni funzione suono complesso che abbia frequenza υ può essere considerato la somma di tanti suoni sinusoidali con frequenza multipla di υ, ed ampiezza univocamente determinata. Denominiamo tali suoni sinusoidali armoniche del suono complesso, per cui possiamo dire:

La frequenza del suono complesso, che è poi la più bassa fra le armoniche, prende il nome di fondamentale. Le armoniche superiori prendono il nome di seconda armonica, terza armonica, quarta armonica ecc. a seconda se la frequenza è 2, 3, 4.... volte la fondamentale.

Nel disegno a lato possiamo vedere la rappresentazione della fondamentale di un suono complesso, della seconda armonica, della quarta armonica e dell’ottava armonica. L’ultimo disegno in basso rappresenta il suono complesso risultante dalla somma di queste armoniche.

Possiamo quindi osservare che più la rappresentazione di un suono tende all’onda quadra, più questo suono aumenta l’intensità delle sue armoniche superiori. Questo è il motivo per cui quando si utilizza un amplificatore di potenza ad una potenza che eccede quella massima, e il suono tende a squadrarsi (clipping) , i primi componentia soffrire sono i tweeter.
L’intensità delle armoniche determina il timbro di un suono, ossia la differenza che esiste fra i suoni emessi dai vari strumenti musicali. Con l’equalizzazione interveniamo sul timbro degli strumenti variando proprio l’intensità delle armoniche.
I suoni naturali hanno in genere un’intensità delle armoniche che decresce col crescere del loro ordine. Si è provato a generare dei suoni sintetici che hanno le intensità delle armoniche crescenti, ottenendo risultati interessanti. Esistono poi dei generatori di subarmoniche che aggiungono al suono una armonica con frequenza pari alla metà della fondamentale, col risultato di aggiungere corposità al suono.
La composizione delle armoniche può non essere costante nel tempo in cui il suono è emesso. Un suono può ad esempio iniziare con poche armoniche, arrivare ad averne una certa quantità, diminuirne il numero al momento che il suono si estingue. Questo fenomeno prende il nome di inviluppo del suono (in inglese contour) riferito alle armoniche.
L’inviluppo di un suono è di solito definito da quattro grandezze: attack, decay, sustain, release (si puo chiamare inviluppo ADSR). Definiamo concettualmente tali grandezze:

Fase di un suono

Due suoni possono differire oltre che per la frequenza, l’intensità e la composizione delle armoniche anche per il momento in cui vengono emessi. In genere si parla di fase quando questo tempo è minore del periodo, ossia del tempo necessario a compiere un ciclo completo. La differenza di tempo fra due suoni (figura a lato) dipende dal cosiddetto angolo di fase.

La funzione che esprime una rappresentazione sinusoidale è :

I = I0 sin (ωt + φ)

La grandezza φ rappresenta appunto l’angolo di fase.

Esprimere la fase come un angolo ci permette di prescindere da altre grandezze, tipo la frequenza, che definiscono il nostro suono. Infatti qualunque sia la frequenza, un angolo di fase pari a π/2 corrisponde a ¼ del periodo, un angolo di fase π corrisponde a metà del periodo, un angolo di fase 3/2 π corrisponde a ¾ del periodo, e un angolo di fase di 2 π all’intero periodo.
É facilmente osservabile che il suono risultante fra due suoni uguali in tutto fuorché nella fase, è molto diverso dai suoni originari, in particolare nella composizione delle armoniche. Un caso particolarmente significativo si ha quando la differenza di fase fra i due suoni è pari a π/2. Si dice che i due suoni sono in opposizione di fase, o in controfase. Il suono risultante dalla somma di due suoni in controfase ha intensità nulla.

Risonanza

Abbiamo visto che un corpo elastico può essere posto in vibrazione, e che per effetto di ciò si genera un suono.L’ampiezza di questo suono dipende in gran parte da come si è innescata la vibrazione, la frequenza invece sembra essere indipendente da questo, dipende infatti unicamente dal corpo che oscilla, e precisamente da 3 parametri:

Possiamo quindi dire che un corpo di un certo materiale (quindi di una certa densità molecolare), di dimensioni stabilite, e sottoposto ad una tensione meccanica data, può vibrare solo ad una ben precisa frequenza. Questa prende il nome di frequenza di risonanza.
Un corpo dotato di una certa frequenza di risonanza, entra in vibrazione spontaneamente se viene investito da un suono avente la stessa frequenza.

Battimenti – modulazione di ampiezza

Il fenomeno dei battimenti si verifica quando si sommano due suoni aventi frequenza leggermente differente. In pratica l’intensità del suono risultante oscilla nel tempo con una frequenza che è tanto più bassa quanto sono vicine le frequenze dei suoni componenti. Definiamo questo comportamento modulazione d’ampiezza. La frequenza che descrive questa modulazione d’ampiezza è pari alla differenza nelle frequenze dei suoni componenti.
Nell’immagine a fianco vediamo il battimento generato da due suoni aventi frequenze rispettivamente di 20 Hz e di 18 Hz. La modulazione d’ampiezza che si genera avrà una frequenza di 2 Hz.
Il battimento può essere spiegato per via analitica: facendo riferimento all’immagine a fianco notiamo che nell’arco di tempo che va da 0 a ¼ di secondo, le oscillazioni corrispondenti dei due suoni sono sempre meno in fase, fino ad essere completamente in controfase nell’istante t = ¼ sec. Da questo istante in poi le oscillazioni saranno sempre più in fase fino ad esserlo completamente nell’istante t = ½ sec. Quindi di nuovo le oscillazioni sono sempre meno in fase fino a raggiungere la completa controfase nel punto t = ¾ sec. E così via.
Il battimento ha sempre un effetto molto fastidioso sull’ascolto. Può essere sintomo di una scadente accordatura degli strumenti musicali.

Effetto Haas

Negli anni ’40 del secolo scorso il fisico Helmut Haas studiando la sensibilità del nostro udito, giunse alla constatazione di un’importante effetto: se da due sorgenti di suono, ad esempio due diffusori acustici, emetto due suoni in tutto uguali, ma dei quali uno emesso con un ritardo che va da 1 a 30 millisecondi circa, il mio udito percepirà il suono come proveniente unicamente dal diffusore che emette il suono senza ritardo.
La spiegazione di questo fenomeno è da ricercarsi nella fisiologia dell’apparato uditivo. L’uomo possiede due orecchie proprio per localizzare la provenienza dei suoni. Un suono proveniente dalla nostra destra raggiungerà prima il nostro orecchio destro, successivamente il sinistro. Il nostro cervello riceve i due segnali provenienti dalle due orecchie, ne elabora il ritardo ed assegna la direzione della provenienza del suono. Introducendo dei ritardi artificiosi, noi riusciamo ad ingannare il cervello, che attribuirà la direzione di provenienza del suono verso quello dei due che gli arriva prima.
L’effetto Haas si verifica quando la differenza di intensità sonora fra le due fonti non eccede i 10 dB. É anche opportuno notare, per lo studio delle applicazioni, che il suono nell’aria percorre in 30 millisecondi, tempo di applicazione dell’effetto Haas corrisponde circa alla distanza di 10 metri.
Vediamo qualche applicazione dell’effetto Haas:

1- torri di rinforzo

In molti spettacoli nei quali la partecipazione di pubblico è imponente, nei quali quindi molti spettatori si trovano ad una grande distanza dal palcoscenico. Per assicurare una copertura sonora il più possibile uniforme, è uso impiegare dei diffusori situati a circa metà della platea, di solito su torri metalliche. In ogni caso, per evitare che lo spettatore percepisca un “doppio suono” è necessario ritardare questi diffusori del tempo che il suono proveniente dai diffusori principali impiega per raggiungere e sommarsi a quello dei diffusori di rinforzo. Se noi a questo ritardo, sfruttando l’effetto Haas, aggiungiamo un tempo fino a 30 millisecondi, lo spettatore avrà l’impressione che il suono proviene solo dai diffusori principali.

2- voce di un attore

Il disegno a fianco fa riferimento alla classica disposizione di un impianto audio per la riproduzione amplificata della voce di un attore che recita. Lo spettatore ascolta sia la voce diretta dell’attore (linee tratteggiate) sia la stessa amplificata, dai diffusori acustici (linee continue). In queste condizioni lo spettatore ha l’impressione che la voce provenga unicamente dal diffusore poiché gli giunge in anticipo e con maggiore intensità rispetto alla voce diretta.
Se applichiamo ai diffusori un ritardo che oltre a compensare la distanza fisica dell’attore dai diffusori, aggiunga un tempo fino a 30 millisecondi, sfruttando l’effetto Haas, lo spettatore avrà l’impressione che il suono provenga interamente dalla bocca dell’attore.
Dal momento che probabilmente l’attore si muoverà in tutto lo spazio scenico, la scelta di aggiungere un tempo da 1 a 30 millisecondi dovrà essere tale da assicurare l’effetto Haas in qualunque posizione si trovi l’attore.

Un modo di applicare naturalmente, ossia senza far ricorso a linee di ritardo digitali, l’effetto che abbiamo appena visto, è quello di sospendere un unico diffusore al centro del palco, fissandolo ad esempio alla graticciata o ad una americana. In questo caso il suono che proviene dal diffusore dovrà percorrere una distanza maggiore per arrivare allo spettatore, rispetto a quello che proviene direttamente dalla bocca dell’attore (linee punto – tratteggiate), giungendovi quindi in ritardo.
Si può osservare che l’efficacia di questa soluzione è tanto maggiore quanto è l’altezza del diffusore sospeso.
L’azione combinata di una linea di ritardo digitale su un unico diffusore sospeso è quella che da i migliori risultati.

3- scatola di suono

In alcune forme moderne di teatro, si tende ad abbattere ogni barriera fisica, quale ad esempio il palcoscenico, fra gli attori e spettatori. Possono quindi capitare delle azioni teatrali che si svolgono in mezzo al pubblico. Qualora questo si svolga in spazi ristretti e richieda comunque l’amplificazione della voce degli attori, può essere utile applicare la cosiddetta scatola di suono.
Questa tecnica può essere applicata quando sia gli attori che il pubblico sono compresi in un quadrato ideale con il lato di max. 10 metri. In questo caso si dispongono 4 diffusori ai 4 angoli del quadrato ideale, e si invia loro un segnale con la voce degli attori ritardata da 1 a 30 millisecondi. Ogni spettatore ascolterà il suono diretto dall’attore, e il suono amplificato dal diffusore alle proprie spalle, ma a causa dell’ effetto Haas percepirà il suono come proveniente dall’attore, né sentirà gli altri 3 diffusori in quanto a causa della distanza di 10 metri l’uno dall’altro, l’effetto Haas si applicherà anche a loro.