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Scheda 11

Il segnale audio

Parametri del segnale
Per potere elaborare, memorizzare o trasmettere un suono è necessario trasformare l'onda sonora in un segnale elettrico atto ad essere gestito dalle apparecchiature che costituiscono il sistema audio. Affinché il destinatario abbia la garanzia che ciò che ascolta sia proprio l'onda sonora generata dalla sorgente è necessario che il segnale elettrico, gestito dal sistema audio, non perda o non abbia alterata alcuna componente dell'onda sonora originaria che rappresenta. Qualsiasi apparato audio introduce sempre, anche se nel campo professionale in piccola misura, delle alterazioni del segnale elettrico; il tecnico audio deve sapere scegliere, collegare e gestire le apparecchiature in base alla quantità di degradazione che esse introducono nel segnale audio e deve potere giudicare se il segnale stesso è idoneo o meno per essere inviato al destinatario. Per permettere ciò sono stati definiti i parametri del segnale, ossia le caratteristiche del segnale che devono essere soddisfatte affinché garantiscano il tecnico audio sulla qualità del prodotto audio che esso sta elaborando. I parametri fondamentali del segnale audio sono:
  1. RISPOSTA IN FREQUENZA
  2. RANGE DINAMICO
  3. DISTORSIONE
  4. RUMORE
  5. WOW & FLUTTER
  6. CROSSTALK o DIAFONIA
1. Risposta in frequenza

Un suono complesso ha uno spettro costituito da molte armoniche, ognuna con una determinata frequenza, ampiezza e fase. Quando il segnale elettrico equivalente viene gestito da un apparato audio le sue componenti armoniche devono essere trattate tutte allo stesso modo. In caso contrario si avrebbe una alterazione dello spettro originario che si ripercuote, in ultima analisi, in un segnale distorto all'uscita dell'apparato. La curva di risposta in frequenza visualizza su un grafico il comportamento in frequenza dell'apparato stesso, cioè come l'apparato agisce sull'ampiezza del segnale in funzione della sua frequenza. Affinché tutte le componenti armoniche del segnale siano trattate in ampiezza allo stesso modo è necessario che tale curva sia una retta nella banda di frequenze interessata che, per un segnale audio, viene delimitata nel range 20 Hz - 20 kHz.
Figura 2_1
Se, per esempio, un apparato ha una curva di risposta che è rettilinea sino a 4KHz e poi decade, come nella parte tratteggiata della figura, all'uscita dell'apparato ci sarebbe un segnale privo delle frequenze alte che pure erano presenti nel suono originale; è questo il caso di un apparato telefonico che fornisce alla sua uscita un segnale diverso (distorto) dall'originale. Tramite questa caratteristica si può quindi giudicare se un apparato è idoneo o meno a trattare il segnale audio in funzione del suo contenuto di frequenze.


2. Range dinamico

Si è già visto che i suoni musicali variano in intensità su un range di circa 80 dB per un fortissimo di un'orchestra sinfonica e inoltre i livelli di segnale che arrivano al mixer audio possono superarli, poiché i microfoni possono essere a distanze differenti dagli strumenti. Perciò diviene necessario restringere i livelli di segnale tra due limiti, uno di sovramodulazione, che dipende dalla saturazione del nastro magnetico o dal clipping di un amplificatore, e l'altro di sottomodulazione, derivante dalla sovrapposizione di un pianissimo musicale con il livello del rumore ambiente o del rumore di fondo del supporto magnetico. Il range dinamico dei vari apparati, sovente espresso come rapporto segnale-disturbo, è elencato nella tabella seguente. Da essa si può vedere che spesso diventa necessario un certo grado di compressione per il quale il tecnico audio deve sviluppare un controllo continuo sul volume del programma e agire in modo tale da avere il minore degradamento possibile della musica. La regolazione manuale della dinamica comporta il rischio di errori da parte del tecnico di ripresa, in particolare quando avvengono improvvise variazioni di livello. Per questo motivo vengono usate apparecchiature che regolano automaticamente la dinamica quali i compressori, i limitatori e gli espansori. È da sottolineare che l'introduzione dei sistemi di registrazione PCM e digitale ha permesso di aumentare notevolmente la dinamica a disposizione per la registrazione di un segnale audio, arrivando a raggiungere una dinamica registrabile di circa 90 dB.
RANGE DINAMICO TIPICO (dB)
   
Organo >75
Orchestra sinfonica 75
Pianoforte 70
Voce umana 60
Complesso rock 30
Registratore magnetico digitale a 16 bit 90
Amplificatore 75
Registratore professionale con Dolby A 75
Disco di acetato 74
Registratore professionale 60
Registratore a cassette con Dolby B 60
Trasmettitore radio FM 55
Disco stampato 50
Registratore a cassette 40
Trasmettitore radio AM 30
3. Distorsione
Possiamo definire distorsione qualsiasi variazione indesiderata della forma d'onda del segnale tra due punti della catena fonica. È possibile catalogare i vari tipi di distorsione come segue:
  1. DISTORSIONE DI ATTENUAZIONE: è la variazione di guadagno a frequenze differenti. Più comune è la perdita alle alte frequenze, per esempio nei registratori o nelle linee di collegamento. Essa è spesso erroneamente definita distorsione di frequenza, poiché è possibile correggerla mediante equalizzatori.
  2. DISTORSIONE DI FASE: generalmente legata alla distorsione di attenuazione, anch'essa si riduce con il processo di equalizzazione. Essa nasce quando il tempo di transito in una catena fonica è differente alle varie frequenze. È di notevole importanza in stereofonia.
  3. DISTORSIONE DI NON LINEARITÀ: produce uno sgranamento nel suono, provocato dalla nascita di armoniche originariamente non presenti nel suono, causate da caratteristiche di trasferimento non lineari della catena fonica. Questo tipo di distorsione è forse la forma più seria di degradazione di segnale. Essa non può essere corretta mediante equalizzazione. La distorsione di non linearità può essere suddivisa in tre tipi base, che tendono per lo più a verificarsi contemporaneamente:
  1. DISTORSIONE ARMONICA: è il prodotto delle armoniche spurie delle frequenze di ingresso. In piccola percentuale è relativamente innocua in quanto la maggior parte dei suoni musicali, e anche la voce umana, già contengono componenti anche rilevanti di frequenze armoniche che tendono a mascherare, in una certa misura, i prodotti della distorsione. L'ascoltatore medio incomincia ad individuare una distorsione armonica del valore di O,3%-1%, per cui è necessario che le apparecchiature professionali introducano una distorsione armonica inferiore allo O.3%. Ricerche condotte su diversi campioni di ascoltatori hanno portato a concludere che la reazione di questi nei riguardi della distorsione armonica è condizionata da diversi fattori, tra cui l'ordine delle armoniche stesse. È da rilevare che le armoniche pari sono meno dannose di quelle dispari in quanto esse determinano la formazione di ottave, ovvero di intervalli consonanti. La sensibilità dell'orecchio alle distorsioni cresce all'aumentare dell'ordine delle armoniche.
  2. DISTORSIONE DI INTERMODULAZIONE: è la nascita di frequenze spurie derivanti dalla combinazione di due frequenze di ingresso. È necessario che essa sia contenuta entro valori non superiori all'1%-2%.
  3. DISTORSIONE DI AMPIEZZA: è una variazione nel guadagno del sistema in relazione a differenti ampiezze del segnale di ingresso.
    Essa è usata volutamente, per esempio, nei limitatori e nei compressori. Nei casi più seri di sovraccarico di amplificatori o di sovrapilotaggio di altoparlanti, determina una tosatura della forma d'onda e di conseguenza una distorsione chiaramente udibile.
4. Rumore
Qualsiasi suono non desiderato che è riprodotto o generato dal sistema può essere definito come rumore. È necessario distinguere tra rumore ambiente e rumore del sistema.
  1. RUMORE AMBIENTE: in uno studio ben progettato o in una sala per concerti il rumore ambiente sarà a livelli molto bassi e può inoltre essere ulteriormente ridotto usando tecniche microfoniche adeguate. La tabella 1 elenca alcuni valori tipici di rumore ambiente.
    È da sottolineare che generalmente il rumore ambiente tende ad essere minore alle alte frequenze piuttosto che alle basse frequenze, ciò a causa delle dimensioni fisiche dell'ambiente stesso.
Tabella 1. LIVELLI DI RUMORE AMBIENTE TIPICI
     
Studio di registrazione   20-25 dB
Studio broadcast   20-30 dB
Sala da concerto   25-35 dB
Biblioteca   33-39 dB
Camera standard   39-47 dB
  1. RUMORE DEL SISTEMA: la principale sorgente di rumore in un sistema è il rumore termico generato dalle resistenze anche se ad esse non è applicata alcuna tensione. Questo rumore è dovuto al movimento degli elettroni nella loro struttura molecolare ed è stimolato dal calore. È il rumore del primo stadio che ha maggiore influenza, poiché viene poi amplificato dagli stadi successivi. Il rumore termico di ingresso assume un interesse considerevole nello studio del rumore degli amplificatori perché esso determina il valore limite del rumore oltre il quale non è possibile migliorare. Si definisce rapporto segnale-rumore (espresso in decibel) il rapporto tra la tensione nominale del segnale di uscita e la tensione di uscita prodotta dalle diverse componenti del rumore. Il rapporto segnale-rumore viene comunemente chiamato S/N. Rapporti segnale-rumore tipici sono indicati nella tabella 2.
Tabella 2. RAPPORTI SEGNALE-RUMORE TIPICI
     
Microfono a condensatore   60 dB
Amplificatore   85 dB
Magnetofono professionale   65 dB
Un rumore "pesato" è un rumore misurato attraverso un circuito che tiene conto della risposta in frequenza, ai bassi livelli, dell'orecchio umano. Questa è senz'altro una indicazione migliore dell'effettivo valore di fastidio all'ascolto causata dal rumore. In genere essa dà valori di rapporto segnale-disturbo migliori di quelli non pesati. Il rumore alle frequenze molto basse sarà generalmente determinato dallo "hum" di alimentazione (50 Hz più armoniche) o dal rumore dei motori (regione 25-200 Hz) ; esso può essere maggiormente evidente quando vengono utilizzate casse di ascolto con risposta accentuata alle basse frequenze.
5. Wow & flutter

L'orecchio è un giudice relativamente scadente del valore assoluto di frequenza di un suono (pitch) ma può individuare variazioni molto piccole nella frequenza delle note quando è presente un riferimento. Nel suono dal vivo questo significa che una variazione graduale nel pitch, come ad esempio per un coro non accompagnato da musica, può non essere individuata, mentre strumenti o voci non accordate risultano dissonanti. Nel suono riprodotto esiste una simile incapacità di giudicare la velocità precisa di trascinamento di un nastro o di rotazione di un disco, mentre qualsiasi fluttuazione ciclica nella velocità viene prontamente riconosciuta mediante la variazione periodica del pitch.
Tali fluttuazioni di velocità a breve termine sono, nel loro insieme, definite come WOW and FLUTTER: WOW sono le variazioni a bassa velocità a 20 Hz o meno, spesso attribuibili a bobine di nastro deformate; il FLUTTER è una fluttuazione a velocità maggiore spesso attribuibile ad un capstan danneggiato. In generale l'evidenza in ascolto del pitch è più debole alle basse frequenze; la minima variazione di pitch percettibile è di circa il 3% alle basse frequenze e dello 0,3% alle medie e alle alte frequenze. La presenza di wow è più evidente sulle note sostenute di un pianoforte o di un organo, mentre il flutter è individuato con più facilità negli strumenti a fiato.
I registratori a nastro professionali hanno un wow & flutter di circa 0,08%, ma questa misura viene data in molti modi differenti: picco, RMS, pesata e non pesata, per cui è necessaria molta attenzione nel paragonare le specifiche di macchine differenti.
6. Diafonia o crosstalk

Nei sistemi multipista esiste un criterio addizionale: la necessità dei canali separati di essere riprodotti senza interferenze o diafonia da parte degli altri canali. In stereofonia, ad esempio, qualsiasi diafonia degraderà, restringendola, l'immagine stereofonica riprodotta. Il livello di diafonia ammissibile in un apparato è dell'ordine di -50 dB alla medie frequenze, tenendo anche conto che alle alte frequenze la diafonia tende ad aumentare. Nelle macchine multipista la diafonia o crosstalk è principalmente determinata dal non corretto azimut delle testine.
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