Misure

di Stefano Cantadori 

Due accadimenti hanno contribuito a migliorare l’understanding dei tecnici audio live che si dedicano all’acustica.

- Le leggi sul rumore

- L’avvento di Smaart

A causa delle leggi sul rumore alcuni hanno frequentato i corsi regionali da “tecnico competente” e sono diventati, appunto, tecnici competenti.

A parte il permesso di maneggiare fonometri e stendere relazioni a fini legali, i corsi hanno rimpinguato le conoscenze e forzato all’uso della matematica. Alcuni di costoro continuano a frequentare a vario titolo il nostro settore, la maggior parte si è dileguata. Se non altro, abbiamo aumentato di un’enormità gli individui che nel campo possiedono nozioni ordinate.

Intendiamoci, un tecnico competente non è automaticamente un esperto di tutta l’acustica e tanto meno di facchinaggio artistico. Ad ognuno il suo.

Smaart ci ha dato qualcosa di più. Ha messo a disposizione a basso costo uno strumento che oltre alle “solite” FFT e RTA a frazioni di ottava, è in grado di prelevare la risposta all’impulso (IR, dall’inglese Impulse Response).

Alla stragrande maggioranza di noi, mentre sono familiari i concetti di filtri a frazioni di ottava e per qualcuno non è estranea nemmeno la FFT, sfugge cosa diavolo è e cosa rappresenta la IR.

Non vi stupirete se per illustrare l’argomento estrarrò dal cappello a cilindro la solita buona vecchia sorgente puntiforme. Ma non oggi. Non direttamente, perlomeno.

Rimango in tema di misure, una materia a me cara, e mi avventuro nei misteriosi meandri delle misure audio con un occhio particolare per l’elettronica, quei grafici talvolta misteriosi che appaiono sulle riviste di Hi-Fi e che fanno da corredo a tutti i cataloghi di tutti gli apparati in commercio.

Come mio solito, uso una perifrasi e non affronto l’argomento direttamente: spesso i dati dichiarati sono falsi, diciamo fantasiosamente inventati, a volte in modo nemmeno plausibile.

Impareremo quali sono i parametri audio che si usano per caratterizzare la qualità di un dispositivo audio. Prima domanda: che differenze ci sono nelle misure per audio analogico e digitale?

Nessuna. L’audio è audio. Distorsione armonica, rumore e distorsione di intermodulazione, risposta in frequenza, non cambiano da dominio a dominio. Audio è.

I principali parametri comprendono:

•            ampiezza;

•            rumore;

•            livello;

•            frequenza;

•            fase;

•            THD+N;

•            distorsione armonica;

•            distorsione di intermodulazione;

•            diafonia e rapporti fra livelli.

L’audio digitale viene trasmesso da apparecchio ad apparecchio impacchettato in una stringa seriale detta carrier, caratterizzata da frames composti da due subframe di 32 bit ciascuno. Lo abbiamo studiato in precedenza (AES e SPDIF) e siamo già esperti. Chiaramente, si possono eseguire misure anche sulla stringa per vedere come si comporta, se i pulsi quadri sono sufficientemente quadri, se i dati passano tutti e correttamente, se il clock è preciso, se la stringa occupa nel tempo la posizione che dovrebbe avere o se invece è leggermente spostata (la differenza fra dove è e dove invece dovrebbe essere si chiama jitter) e tanti altri parametri, alcuno dei quali può influenzare l’audio che poi da quei dati verrà estratto.

Torniamo all’audio.

Risposta ad uno stimolo

Un segnale di caratteristiche note è inviato all’ingresso del DUT (Device Under Test), che sarebbe il termine con cui si indica l’apparecchio da misurare.

L’uscita del DUT viene misurata e la prestazione è giudicata dal deterioramento del segnale noto che lo ha attraversato.

Lo stimolo più comunemente usato è la sinusoide, l’unico segnale ad avere tutta l’energia concentrata in un punto dello spettro. Analizzare il risultato di un sistema stimolato da una singola sinusoide è relativamente semplice.

Ci sono misure che si eseguono in un singolo punto, ad esempio il rapporto S/N, cioè segnale/disturbo, in inglese Signal to Noise ratio.

Spesso, invece, si raccolgono più punti di misura a diverse frequenze o ampiezze e si compone un grafico.

La cosiddetta risposta in frequenza, ad esempio, raccoglie il livello di un suono a 20 Hz poi a 30 Hz poi via via fino a magari 20 kHz. A quante e quali frequenze? Puoi usare spaziature standard o decidere liberamente, se lo strumento lo permette, quanti punti vuoi e a che frequenze. Puoi misurare 100 punti fra 20 Hz e 20 kHz ed il grafico che ne consegue unirà fra loro i livelli misurati dall’analizzatore a quelle 100 frequenze. Per cento punti, cioè per misurare il livello di cento segnali emessi a cento frequenze diverse, ci vuole pazienza.

L’analizzatore, infatti, prima di misurare il livello emesso dal generatore a quella particolare frequenza, aspetterà un attimo affinché livello e frequenza siano stabilizzati. Un brutto arnese eseguirà una serie di misure su quel punto, ne calcolerà la media ed infine emetterà il livello da scrivere nel grafico. Uno strumento più intelligente impiegherà un algoritmo molto più sofisticato per pesare il dato, ricorrendo alle medie solo come estrema ratio e in presenza di un forte rumore di fondo o a causa di una forte instabilità del segnale. L’incertezza verrà comunque segnalata.

Oltre agli sweep a punti discreti, ci sono sweep continui. Li vedremo poi.

Stimoli con più sinusoidi

Vengono impiegate due sinusoidi per misurare la distorsione di intermodulazione (IMD) secondo i principali standard o metodi SMPTE/DIN, TIM, DIM.

Esistono tecniche di misura che impiegano un maggior numero di sinusoidi (detti segnali multi-tono). Il multi-tono è particolarmente interessante poiché può impegnare il DUT su una maggiore parte di spettro e può essere facilmente configurato per risultare simile ad un segnale musicale. Sono comuni segnali composti da 30 toni, che ricordano una nota d’organo.

Altri stimoli

Altri stimoli comuni in audio sono il rumore rosa e bianco; in questa sede non mi voglio dilungare. È talvolta importante poter generare tone burst, cioè brevi pacchetti di segnale usualmente composti da un serie di sinusoidi seguiti da intervalli di sinusoidi a livello inferiore.

Per quanto riguarda la risposta all’impulso (IR) lo stimolo non necessariamente deve essere un impulso!

Alcuni stimoli sono più intelligenti di altri. I tre grandi nella storia sono stati Richard “Dick” Heiser che ai Jet Propulsion Lab inventò la TDS per misurare la risposta dello stereo di casa, Shroeder a cui è attribuito il segnale MLS e, ultimo in termini di tempo, il professor Angelo Farina inventore del Log Sweep che è ormai la tecnica universalmente adottata nella maggioranza dei casi. Parleremo della rivoluzione introdotta dal log sweep in una prossima puntata.

Infine, è importante ricordare la tecnica SIM (Source Independent Measurement) che come stimolo può usare anche musica o parlato o praticamente qualsiasi tipo di segnale che contenga sufficiente energia, nel tempo, nella banda di interesse.

Tale tecnica è basata sulle vecchie misure FFT bicanale ma è tutt’altro che banale.

Il voltmetro

Accantonando la IR, torniamo ai nostri livelli. Non si misurano con il righello o la stadera. La maggior parte delle misure audio sono eseguite con strumenti basati sul voltmetro.

Il voltmetro richiede filtri per la maggior parte delle misure audio standard.

figura 1: schema a blocchi di una misura con analizzatore THD+N

Nell’esempio riportato in figura 1, il voltmetro è organizzato per eseguire misure di THD+N, ovvero Total Harmonic Distortion + Noise, distorsione armonica totale più il rumore. È un po’ il medico di famiglia: ti racconta lo stato di salute generale del tuo dispositivo.

Come funziona la misura del THD+N?

Semplice: viene applicata al DUT una sinusoide di alta purezza. Le non linearità si manifestano come armoniche della fondamentale. Se all’uscita del DUT non vi sono distorsioni (mai visto in vita mia) dovremmo trovare solo la sinusoide che abbiamo immesso. Per pesare cosa c’è all’uscita del DUT, l’analizzatore elimina la fondamentale con un filtro elimina-banda ad elevata pendenza, detto anche notch filter, che non provocherà alcuna attenuazione sulle armoniche. Le componenti armoniche che emergono dal rumore di fondo sono la “distorsione armonica” del DUT. Tutto il rumore al di sotto o al di sopra del filtro passerà senza essere attenuato dallo strumento ed è la componente N (Noise) della misura.

Dopo il notch vi sono filtri di limitazione di banda inseribili o disinseribili. Eventuali segnali inudibili fuori banda audio verrebbero comunque letti dal voltmetro, falsando la misura in banda audio. Ecco che risulta evidente l’importanza di poter limitare la banda secondo le necessità di indagine.