COVER STORY CHF 207 – Luglio 2016
Altoparlanti: perché la risposta fuori asse è così importante
di Marco Bonioli
Anche un orologio fermo segna l’ora giusta due volte al giorno. (Hermann Hesse)
Ma noi non vogliamo avere un orologio che appare corretto solo quando la terra e il sole sono in una particolare posizione reciproca.
Noi non vogliamo un sistema di altoparlanti che fa bella figura solo nella misura sull’asse frontale in camera anecoica. Un sistema che dimostri di andare sempre bene? Non esageriamo, sappiamo che la perfezione non esiste e che il sistema che può andar bene per tutti e in tutte le situazioni è pura utopia, sarebbe come pensare che possa esistere un unico tipo di scarpe adatte a tutti e ad ogni situazione: non esiste nessuna scarpa, magari pure di taglia unica, che
possa essere indossata da tutti e men che meno adatta per camminare in montagna, per le cerimonie, per andare in palestra, in piscina, ecc. ecc. Diciamo che allora siamo interessati a scovare la maniera per identificare quei sistemi che possono incontrare il più ampio consenso nella più ampia gamma di diverse situazioni.
Vedremo assieme se sia possibile realizzare il sogno di tutti i progettisti di diffusori: utilizzare dati tecnici e misure scientifiche per poter sempre anticipare in maniera affidabile le preferenze di ascolto. Capire in anticipo se un diffusore che ci piace esteticamente potrà anche piacerci all’ascolto, nella nostra personale sala di ascolto (diversa da quella di altri appassionati e da quella del negozio). Meno incertezze avremo e meno dovremo dipendere da recensioni altrui. Poter dire quel diffusore potrebbe piacermi o non piacermi, senza dover dipendere da giudizi di ascolto (giudizi personali) di altre persone, magari ricavati per induzione come quelli del “tacchino di Bertrand Russell”.
IL TACCHINO INDUTTIVISTA DI BERTRAND RUSSELL
Un giorno, un tacchino decise di incominciare a vivere basando le sue previsioni su precise annotazioni giornaliere. Si comprò un bel taccuino e tutti i giorni annotava la sua esperienza. In tutte le pagine, col passare dei giorni, veniva scritto “ore 9 si mangia”. Pioggia o sole ma la situazione era sempre la stessa: “ore 9 si mangia”. Ad un certo punto, vista la grande quantità di annotazioni tutte uguali, contento ed ottimista sul futuro, pensò che si potesse trarre una valida previsione: anche il giorno dopo avrebbe mangiato alle ore 9. Ma il giorno dopo non gli portarono da mangiare: era il giorno del Ringraziamento, gli tagliarono la testa e venne messo in pentola.
Molti appassionati falliscono le loro previsioni perché confondono quanto si legge in giro (sulle riviste e in internet) con gli scritti scientifici e con le leggi della fisica (leggi certe come la Legge di Ohm). Appare evidente che non sono la stessa cosa. Può anche essere che un miliardo di tacchini scrivano “oggi ho mangiato alle ore 9” ma simili rilevazioni non possono dare alcuna garanzia per il futuro e/o per altre situazioni. È l’illusione del tacchino “induttivista” di Bertrand Russell.
I DUE PENSIERI
Da una parte abbiamo la schiera di chi sostiene le misure: queste ci possono dire se il degrado possa essere udibile e se vi sarà una eventuale preferenza. Con le misure è possibile progettare in modo da ottenere il miglior suono al miglior rapporto costo/beneficio.
Dall’altra parte abbiamo chi pensa che la musica sia un‘arte che non può essere misurata.
GLI STUDI HARMAN
Per capire chi ha ragione e per sbrogliare la questione ci verrà in aiuto un articolo di Floyd E. Toole Audio – Science in the Service of Art (www.Harman.com). L’audio visto come una “scienza al servizio dell’arte”, un titolo che ben riassume la risposta. L’articolo è piuttosto lungo (ventinove pagine, tutte molto interessanti) e pertanto vi riporterò solo un mix di parti tratte dall’articolo. I testi sono tutti rivisti ed integrati con altre considerazioni, quindi non si tratta di una semplice traduzione. Per chi voglia progettare diffusori, gli studi Harman sono un buon punto di partenza e vi consiglio di leggere l’intero articolo: troverete sicuramente altri spunti di grande interesse che per ragioni di tempo e di spazio non ho sviluppato in questa sede.
INTRODUZIONE
Il desiderio di tutti è quello di avere un buon suono. Il “suonar bene” però non è solo una questione di gusti personali. E allora è opportuno domandarsi: che significato dobbiamo dare alla perfezione? La perfezione, in questo contesto, è definita come il “non degrado” di ogni parte e di ogni aspetto del segnale musicale. Cosa sia il buon suono è stato dibattuto a lungo in tanti articoli e luoghi di discussione ma una cosa è certa: la catena audio parte da buoni dispositivi audio che devono catturare il suono, immagazzinarlo e infine riprodurlo, con tutta l’ accuratezza che è consentita dalla miglior tecnologia disponibile al giorno d’oggi. Ma tutto questo non basta: dal momento che i diffusori, l’ascoltatore e la stanza di ascolto interagiscono all’interno di un complesso sistema acustico, non è possibile considerare ciascuna parte senza le altre. Quello che noi udiamo è una combinazione di diffusore e di ambiente. Quello che noi misuriamo e vediamo coi nostri occhi, non è linearmente correlabile con quanto ascoltiamo. Psicoacustica e acustica sono strettamente intrecciati.
Nel nostro locale di ascolto intervengono vari attori che possono stravolgere il suono emesso frontalmente dal diffusore. A danneggiare il suono, in gamma bassa, sotto ai 200 Hz, abbiamo le stazionarie e il wall-dip, che dipendono non solo dal locale e dalla posizione dei diffusori, ma anche dalla posizione del punto di ascolto; in gamma medio-alta, sopra ai 200 Hz, abbiamo invece le riflessioni delle pareti del locale (early reflections e late reflections) e una non omogenea direttività del diffusore (con una dispersione che non si mantiene quasi mai costante alle varie frequenze riprodotte dal diffusore). E tanto più ci allontaniamo dai diffusori tanto più l’ambiente potrà modificare la resa sonora, con degrado dell’accuratezza del suono percepito. Se anche la musica suonava bene negli studi di registrazione non è affatto detto che poi possa arrivare corretta anche alle nostre orecchie (a casa nostra). Ecco perché è conveniente utilizzare diffusori “room friendly”, sia per l’uso in studio che per l’uso nelle nostre case.
Siamo in una situazione in cui potrebbe essere preferibile un sistema di altoparlanti economico e che si interfaccia bene con l’ambiente di uno molto costoso ma con caratteristiche che non possono essere percepite a causa del degrado introdotto dall’ambiente.
I TEST DI ASCOLTO
Sappiamo che le persone hanno delle preferenze sulle caratteristiche che deve avere il suono. E i costruttori di diffusori sono molto interessati a conoscere queste preferenze: per loro significa poter incrementare le vendite.
Quali sono i diffusori preferiti? Per arrivare a saperlo il lavoro è stato affrontato conducendo tanti test di ascolto. I vari diffusori sono stati fatti ascoltare a 268 ascoltatori in più sedute di ascolto. Per ridurre l’influenza del prezzo, delle dimensioni, dell’estetica, tutti i test sono stati fatti in doppio cieco. I risultati sono stati chiari ma a conti fatti spesso uno stesso diffusore a volte piaceva e a volte non piaceva, con giudizi anche drammaticamente diversi. C’erano problemi in fase di valutazione. Chi aveva problemi di udito andava a preferire i diffusori che compensavano il deficit uditivo e/o non era in grado di percepire tutte le differenze. Però, escludendo dai test le persone con problemi di udito, le divergenze di giudizio si riducevano. E nella categoria delle persone con problemi di udito sono state trovate numerose persone che appartengono alla categoria dei musicisti e dei professionisti audio, la cui vocazione ha condotto alle loro condizioni. Con persone dotate di normale udito la variabilità dei giudizi rimaneva relativamente bassa. In sostanza se si procede con sedute di ascolto è necessario utilizzare ascoltatori rappresentativi del 75% della popolazione, non serve rivolgersi ad una élite. Ai problemi di udito seguono poi i problemi di vocabolario, problemi nel descrivere le sensazioni di ascolto, una situazione che porta a giudizi poco analitici, soprattutto in assenza di un ben definito questionario. Con dei training si è allora potuto aumentare l’efficienza e l’efficacia dei test di ascolto. Quindi, per riassumere, il gruppo degli ascoltatori selezionati e istruiti (selected and trained listeners), rispetto al numeroso gruppo di ascoltatori complessivo, ha fornito valutazioni più affidabili e meglio interpretabili dagli ingegneri progettisti di diffusori. Quest’ultimo punto è importante perché per migliorare un diffusore bisogna capire quali sono le cose effettivamente da migliorare. Ovviamente tenendo gli ascoltatori all’oscuro di quanto veniva loro fatto ascoltare: anche la conoscenza delle caratteristiche del sistema ascoltato influenza molto i giudizi, non meno delle caratteristiche acustiche del locale, anche da parte delle persone che hanno esperienza nei test. Evidentemente la verità non è sempre quella che vorremmo che fosse. Ecco perché serve molto rigore nelle prove di ascolto.
Anche la scala dei giudizi solitamente è poi sempre molto elastica, e se nelle prove dovesse anche mancare un impianto di riferimento ecco che la scala dei giudizi, non risultando ancorata, perderebbe di validità. Quando le differenze sono piccole è allora meglio procedere per confronti senza pretendere giudizi assoluti (molto buono o molto cattivo) ma semplicemente dicendo “mi piace” al sistema preferito o specificando quanto piace di più. Si fa una scala di preferenza, non di performance.
LE MISURE
Nello studio Harman, oltre agli ascolti sono state anche fatte le misure. Occorre capire cosa succede in un locale reale e come debbano essere i grafici per poter raccogliere il più alto punteggio di apprezzamento in fase di ascolto. Quali misure? Proviamo a ragionarci sopra. Se vogliamo che la misura sia correlabile alle sensazioni di ascolto del diffusore piazzato in casa nostra è ragionevole pensare che questa misura debba essere effettuata nel punto di ascolto di casa nostra. Come? Includendo nella nostra misura tutti i segnali effettivamente presenti nel nostro ambiente? Anche quelli riflessi e riverberati che arriveranno alle nostre orecchie da diverse direzioni e in tempi successivi? Il microfono di misura accetta senza problemi segnali da tutte le direzioni, in ogni momento, ma c’è un problema: li tratterebbe tutti alla stessa maniera (con lo stesso peso). Noi, invece, possediamo un cervello e due orecchie, conformate anche per essere direttive (il padiglione è come una piccola guida d’onda), col risultato che siamo capaci di dare maggior importanza al fronte d’attacco del transiente rispetto ai segnali che arrivano con un certo ritardo (effetto precedenza ed effetto mascheramento) e siamo anche capaci di distinguere ed elaborare diversamente i suoni di diversa provenienza (discriminazione binaurale). Anche in ambienti riverberanti sentiamo quasi come in anecoico. Non ci può dunque essere una corrispondenza tra tutto il segnale presente in ambiente e segnale che sentiamo. Ecco che allora, per capire cosa succede in un locale reale, può tornare utile la disponibilità di dati statistici. In Harman hanno raccolto ed elaborato tali dati fino a identificare angolazioni statistiche per le varie tipologie di riflessione, includendo i ritardi e le attenuazioni che caratterizzano i segnali riflessi e riverberati. Poi hanno organizzato un sistema di misura in una grande camera anecoica e fatto una innumerevole quantità di misure su ciascun diffusore fino ad estrarre dei grafici che possiamo categorizzare come segue:
segnale diretto (da rilevazioni della risposta in frequenza in asse al diffusore);
prime riflessioni (da rilevazioni della risposta in frequenza per direzioni fortemente disassate);
campo riverberato (da rilevazioni della risposta in frequenza sull’intera emissione del diffusore in tutte le direzioni);
indice di direttività (calcolato per sottrazione della “Sound Power” dal grafico “Listening window”).
Sono stati testati diffusori realizzati con diversi approcci progettuali, diverse tipologie di altoparlanti, diversi crossover. La fase successiva è poi stata quella di interpretare le misure alla luce dei giudizi di ascolto. Partire dai giudizi di ascolto ed andare a vedere cosa cambia nelle misure. Si, perché i grafici mostrano differenze non trascurabili. I grafici delle prime riflessioni e di quelle successive possono essere ben diversi, anche quando si ha una risposta in frequenza sull’asse frontale del diffusore ugualmente estesa e lineare. Quindi sono proprio le diverse risposte fuori asse a generare colorazioni, alterazioni timbriche, deterioramento dell’immagine sonora e diversi giudizi di ascolto. Noi non possiamo non farne tesoro.
INTERPRETARE LE MISURE
E’ emerso che molti diffusori piacciono e molti non piacciono, a volte anche in disaccordo con le recensioni, forse perché i recensori non valutano in modalità doppio cieco e si fanno influenzare. I diffusori preferiti sono quelli che non soffrono di risonanze/breakup/diffrazioni (ma per visualizzare meglio questi problemi servono anche i grafici della waterfall e del modulo dell’impedenza), con risposte in frequenza ben estese e lineari (con un leggero e progressivo calo al crescere della frequenza) e con un grafico dell’indice della direttività che rimane costante (lievemente crescente all’aumentare della frequenza) e senza discontinuità. Per le frequenze superiori ai mille Hertz il valore dell’indice della direttività è bene che rimanga in un range compreso tra 5 dB (a 1 kHz) e 10 dB (a 20 kHz). I diffusori con un maggior indice di direttività, generando meno segnali fuori asse (quelli che generano energia riverberata), saranno caratterizzati da una maggior presenza di segnali diretti e all’ascolto porteranno ad una sensazione di maggior precisione, maggior pulizia del suono, maggior “silenzio di fondo” (black-background). I diffusori dotati di ampio pannello elettrostatico si piazzano in questa categoria di sistemi. Alle frequenze in cui si verificano dei cali di direttività (ovvero un eccesso di dispersione), la risposta in ambiente mostrerà delle spiacevoli enfasi.
Progettare un buon diffusore, che suoni bene e che costi poco, richiede una buona dose di conoscenza. Sappiamo, amaramente e talvolta pure con costose esperienze, che i diffusori possono suonare molto diversamente al cambiare del locale, al variare della posizione dei diffusori, al variare della posizione del punto di ascolto, al variare della distanza di ascolto. Sappiamo che la classica misura di risposta in frequenza sull’asse frontale ad un metro di distanza, misurata in camera anecoica, non è assolutamente in grado di far presagire i problemi che possono essere riscontrati in fase di ascolto e i diversi giudizio di ascolto lo testimoniano. Poter sapere in anticipo come suoneranno i diffusori in casa nostra è una vera manna dal cielo, che ci può far risparmiare tempo e denaro. Ecco che allora l’approccio Harman, separando i segnali diretti da quelli riflessi e da quelli riverberati, ci aiuta non poco a capire dove possono nascondersi i problemi.
DIFFUSORI E LOCALE
Sul retro della membrana dell’altoparlante c’è un box che influenza molto il movimento della membrana ed il suono che questa andrà ed emettere frontalmente, ma anche davanti alla membrana c’è un box: il locale di ascolto. Il guaio è che il progettista del diffusore può gestire perfettamente solo i problemi generati dal box del diffusore, non quelli dell’ambiente (che non conosce) in cui verrà effettuato l’ascolto. Ed ecco che lo studio Harman ci viene in aiuto venendoci a dire che la prestazione nel punto di ascolto può essere benissimo ipotizzata senza dover essere misurata sul posto. Come? Abbiamo detto che all’ascoltatore arriverà prima il segnale diretto, subito dopo arriveranno le prime riflessioni (pavimento, soffitto e pareti laterali), poi arriveranno le riflessioni multiple prodotte da tutte le numerose superfici dell’ambiente (la riverberazione). Tutti questi segnali vanno a sommarsi e a rinforzare il segnale diretto ricevuto dall’ascoltatore. Con quale pesatura? In che proporzioni siamo? In percentuale, nel punto di ascolto, al di sopra della frequenza di transizione, avremo un 14% di segnale diretto, un 44% di segnale prodotto da prime riflessioni e la restante percentuale sarà data dalle riflessioni multiple. La percentuale di segnale diretto è molto minore di quanto si possa pensare (quel 14% stupisce non poco). La percentuale di segnali riflessi (early/late reflections), generati dall’emissione fuori asse del diffusore, è invece preponderante. Se non ne siamo convinti, per sentire quanto sia effettivamente consistente la quota di segnale riflesso e riverberato, basta recarsi nella stanza accanto (lasciando la porta aperta e l’impianto acceso). Per capire il perché sia così piccola la quota di segnale diretto forse può esserci d’aiuto pensare che il segnale diretto non è altro che uno strettissimo raggio sonoro, quasi come un raggio laser dal diffusore al nostro orecchio, con il diffusore che però irraggia su 360 gradi (anche se prevalentemente nel semispazio frontale e con solo una parte dei segnali riflessi/riverberati che riesce successivamente ad arrivare alle nostre orecchie). Se poi nella nostra posizione d’ascolto, nonostante la situazione sopra citata, ci sembra di non percepire una prestazione degradata da suoni riflessi/riverberati lo si deve all’effetto precedenza e perché abbiamo un cervello in grado di elaborare i segnali ricevuti dalle nostre due orecchie, conformate per essere direttive e che non sono microfoni omnidirezionali. In ogni caso per non avere degrado (che è comunque rilevabile) sarà bene che le prime riflessioni siano minimizzate e che la riverberazione sia timbricamente simile al segnale diretto, ma questo può succedere solo se il diffusore è stato progettato per irraggiare segnali timbricamente simili in tutte le direzioni. Questo requisito di invarianza nel fuori asse deve valere poi anche nel dominio del tempo (step response e risposta all’impulso). Tecnicamente parlando questi requisiti si trasformano nella necessità di avere una direttività tendenzialmente costante (tra 5 e 10 dB) per tutte le frequenze perlomeno superiori al kHz e centri di emissione acustica (woofer e tweeter) coincidenti. Quindi, se lo si vuole, si possono progettare diffusori con buone probabilità di piacere anche se piazzati in ambienti riverberanti. La regolarità dell’emissione fuori asse (vantaggiosamente attenuata rispetto al livello sull’asse frontale) non può continuare ad essere considerata un optional: è essenziale per l’ottenimento delle migliori prestazioni, soprattutto in piccoli ambienti con i diffusori a ridosso delle pareti.
(…continua sulla rivista…)