Mezzogiorno di Suono

di Giorgio Gianotto

Nella precedente puntata ho accennato alla disponibilità, oramai molto ampia, di colonne di suono gestite da Digital Signal Processors, in grado di tagliare “su misura” le caratteristiche di radiazione del diffusore e adattarsi perfettamente alle esigenze degli ascoltatori e dell’ambiente.

La possibilità di variare le caratteristiche direzionali di un insieme di altoparlanti (o di microfoni nei sistemi di rilevazione subacquea) variando la disposizione spaziale dei trasduttori e, ancor più, manipolando il segnale, è conosciuta da tempo e riportata nei manuali di acustica ed elettroacustica dei primi decenni del secolo scorso. Tuttavia, la gestione del segnale, perlopiù nel dominio temporale ma non solo in esso, era lontana dalle possibilità dell’elettronica dell’epoca e si dovette aspettare sino agli anni ’80 per vedere le prime linee di ritardo, inizialmente analogiche e poi digitali, di buone prestazioni e costo accettabile. Il grosso dello sviluppo e della ricerca in questo campo non fu, però, appannaggio del mondo audio: a farla da padrone furono i sonar, le apparecchiature acustiche subacquee per scopi militari e soprattutto le antenne per onde elettromagnetiche, alle quali oggi come ieri sono spesso richieste precise caratteristiche direzionali. Le onde elettromagnetiche hanno comportamenti simili (ma non identici) a quelle sonore e, fatta salva la lunghezza d’onda in genere assai inferiore, quanto è buono per le une vale anche per le altre.

Negli ultimi decenni queste tecnologie sono state rese disponibili ed affinate per le applicazioni elettroacustiche, grazie anche, come più volte sottolineato, alla disponibilità di elaboratori di segnale di grande potenza e basso costo. Le linee di suono “programmabili”, denominate beamformer, sono dotate di amplificatori dedicati e incorporati nel corpo del diffusore, ciascuno dei quali alimenta uno o più altoparlanti. Gli amplificatori sono pilotati da un’elettronica che provvede all’elaborazione del segnale necessaria per ottenere le funzioni previste dal fabbricante, facilmente selezionabili dall’utente.

Esaminiamo brevemente queste funzioni, quantomeno le principali. La figura (a) mostra la radiazione di una comune linea di suono: come sappiamo, è un fascio sonoro – un’onda cilindrica – alto quanto il diffusore e con una gittata di qualche metro. Questa caratteristica così particolare esige il rispetto di una ben precisa geometria nella disposizione della sorgente rispetto agli ascoltatori, come abbiamo già spiegato nelle scorse puntate di Mezzogiorno di Suono. Purtroppo, vincoli strutturali, ambientali, artistici o d’altro tipo non sempre consentono di osservare queste regole.

In questi casi, è giocoforza ripiegare su una soluzione diversa, un diffusore convenzionale, tipicamente caricato con una guida d’onda (una tromba) che possa essere appeso più in alto, sopra l’area di ascolto. Una soluzione che, ohimé, non garantisce prestazioni ottimali negli ambienti molto riverberanti, come lo sono molti luoghi di culto, le cui esigenze in fatto di suono stiamo esaminando insieme da qualche puntata e ci hanno condotto, appunto, a descrivere prima le linee di suono, poi i beamformer. In effetti, è proprio questa la ragione che ci ha indotto a scegliere i diffusori a colonna. Se non possiamo collocarli nel luogo prescelto e all’altezza e con l’inclinazione necessaria, sovente è però possibile installarli aderenti alla parete o al pilastro o ad un’altezza un poco superiore. Ma queste opzioni sono irrilevanti con una linea di suono convenzionale: non ne consentirebbero comunque il corretto funzionamento.

Ed è qui che entrano in gioco i beamformer, che invece possono essere collocati paralleli alla superficie di appoggio e ad un’altezza maggiore. L’elettronica incorporata consente infatti di inclinare il fascio sonoro verso il basso [figura (b)]. Notiamo subito che questa inclinazione di per sé non è sufficiente. Le dimensioni del fascio sono così strette che consentono di coprire solo una parte dell’area d’ascolto. Per ampliare l’area di copertura, occorre ampliare anche l’angolo di radiazione [figura (c)], un’altra funzione disponibile attraverso il pannello di controllo del beamformer. Queste possibilità sono di grande aiuto, un toccasana, per l’installazioni di sistemi sonori in siti “difficili” ma come tutte le rose hanno le loro spine.

La prima spina è il costo, sensibilmente superiore a quello dei sistemi convenzionali e fuori dalla portata dei budget più ridotti. La seconda è un certo degrado delle prestazioni, soprattutto dell’intelligibilità, che accompagna l’inclinazione e l’allargamento del fascio ed è tanto più rilevante quanto più accentuati sono questi due parametri. Le ragioni del degrado sono in parte intuibili: quanto più allarghiamo il fascio tanto più rendiamo simile l’onda cilindrica prodotta dal diffusore ad un’onda sferica, riducendo progressivamente quella caratteristica delle linee di suono che consente di ottenere un eccellente rapporto segnale/rumore. Il fascio allargato di qualche decina di gradi rende un beamformer del tutto simile, nelle prestazioni, ad un qualsiasi altro diffusore e ne vanifica l’impiego; salvo, in qualche occasione, per il vantaggio del ridotto impatto estetico dovuto al profilo sottile ed allungato.

Esiste però un’altra ragione di degrado. Inclinazione ed ampliamento del fascio aumentano il lobing, la radiazione spuria prodotta dal beamformer in varie direzioni e al di sopra di una certa frequenza, che dipende dalle caratteristiche del beamformer e dall’entità delle variazioni del fascio introdotte. Il lobing è dovuto a ragioni fisico/geometriche, alla meccanica delle interazioni di fase fra le emissioni dei trasduttori. Per ridurlo, occorre diminuire la distanza fra i trasduttori

La figura (e) mostra il lobing oltre una certa frequenza prodotto da un beamformer con un fascio inclinato di 25°. Per comparazione, nella figura (f) il lobing alla stessa frequenza ed inclinazione di fascio prodotto da un beamformer di identica lunghezza e distanza fra i trasduttori ridotta della metà rispetto al precedente. Benché i risultati della riduzione della distanza fra gli altoparlanti di un beamformer siano molto convincenti, la sua applicazione pratica è teorica. La tecnologia attuale ci consente di produrre altoparlanti di diametro minimo intorno ai 5 centimetri (ovviamente, se vogliamo ottenere delle prestazioni sufficienti anche a bassa frequenza e un buon volume di suono) che permettono di contenere il lobing anche con inclinazioni del fascio di 45° oppure inclinazione ed ampliamento sino a 30°. Aumentare il numero degli altoparlanti (e, possibilmente, anche la lunghezza del beamformer) significa aumentare pure il numero degli amplificatori e la potenza del DSP, con un’ulteriore levitazione dei costi, già molto elevati. Non desta quindi stupore che la maggior parte dei beamformer in commercio adotti distanze fra i trasduttori maggiori – a volte assai maggiori – di 5 centimetri e si accontenti di garantire un’inclinazione non superiore a 15°, peraltro sufficiente nella maggior parte delle applicazioni.

Voglio ancora accennare ad un’interessante funzione disponibile in molti beamformer: il doppio fascio sonoro, che consente di indirizzare con un unico diffusore due segnali identici o diversi (ad esempio, musica attraverso un fascio, parola attraverso l’altro) in due diverse direzioni, come se si disponesse di due linee di suono distinte [figura (d)]. Questa funzione non è molto significativa nei luoghi di culto italiani, raramente dotati di matronei o gallerie in uso (tranne qualche eccezione per quella che ospita l’organo) ma è utile nei teatri, nei centri congressi e in tutti gli edifici che presentano aree d’ascolto disposte ad altezze differenti.

Con questa nota concludo la descrizione delle linee di suono e dei beamformer. Nella prossima puntata di Mezzogiorno di Suono valuteremo come coordinare gli strumenti a nostra disposizione per installare in una grande chiesa o una cattedrale la Ferrari degli impianti per il rinforzo del suono: un sistema decentralizzato con localizzazione.