Schiere di microfoni – Terza parte

di Michele Viola

figura 2a: quando l’onda sonora proviene da una direzione perpendicolare all’array, i segnali ripresi da ciascuna capsula sono in fase ad ogni frequenza e il guadagno complessivo del sistema è il massimo possibile.

figura 2b: quando l’onda sonora proviene da una direzione obliqua rispetto all’array, la correlazione tra i segnali ripresi da ciascuna capsula è inferiore per cui anche l’intensità della somma è inferiore.

figura 3: una sezione della polare di direttività a diverse frequenze. Si nota il lobo principale a 0°, a 0 dB per ogni frequenza.

figura 4: ritardando opportunamente i segnali provenienti da ciascun trasduttore, è possibile inclinare elettronicamente l’array in maniera del tutto analoga rispetto agli array di diffusori.

Negli ultimi anni, diverse aziende hanno proposto array di microfoni mono- bi- o tridimensionali, dedicati a diverse funzioni. La caratteristica principale per cui è possibile utilizzare un array di microfoni è la gestione della direttività, intesa come la possibilità di distinguere la direzione di provenienza del suono, oppure di esaltare i suoni provenienti da una particolare direzione. Questo si potrebbe realizzare anche semplicemente utilizzando un’unica capsula direttiva. Una possibilità interessante, offerta dall’array, è quella di definire la direttività a posteriori, ovvero anche successivamente alla ripresa. Questo può consentire, ad esempio, di posizionare un array sul soffitto e, senza spostarlo fisicamente, indirizzare in maniera elettronica la polare di direttività complessiva verso lo speaker, attenuando rumore e segnali indesiderati. Esistono anche applicazioni in grado di seguire automaticamente una sorgente che si muove in uno spazio limitato, ad esempio sul palcoscenico o nei pressi della postazione del relatore durante un seminario, una lezione o una conferenza.

Ma come funziona? E, soprattutto, cosa possiamo sperare di ottenere, in termini di performance?

Array coincidenti: il microfono Soundfield

Si tratta di un microfono composto da quattro capsule direttive, con polare tipo cardioide, più possibile vicine nello spazio (idealmente coincidenti) e distribuite equamente dal punto di vista della direzione, ovvero idealmente disposte sulle facce di un tetraedro regolare. La capsula composta, insieme al procedimento di elaborazione dei segnali, è oggetto di un brevetto internazionale depositato nel 1975 ed è stata descritta nel dettaglio durante la convention AES di Londra dello stesso anno.

I quattro segnali ripresi dalle quattro capsule, nel loro complesso, costituiscono un gruppo chiamato A-Format. Questi vengono elaborati – tramite amplificazione, somma ed equalizzazione – per comporre un altro gruppo di segnali, chiamato B-Format. Da qui, tramite ulteriori elaborazioni, si può ricavare la risposta equivalente a quella di un microfono con qualunque direttività e puntato in qualunque direzione.

I quattro segnali costituenti il gruppo B-Format vengono tipicamente simboleggiati con:

• W: corrispondente al segnale di un microfono omnidirezionale;

• X: corrispondente al segnale di un microfono a gradiente di pressione (con direttività a figura di otto) puntato frontalmente;

• Y: corrispondente al segnale di un microfono a gradiente di pressione puntato orizzontalmente verso sinistra;

• Z: corrispondente al segnale di un microfono a gradiente di pressione puntato verticalmente verso l’alto.

Le elaborazioni sui segnali del gruppo B-Format comprendono esclusivamente amplificazione e somma (ed eventualmente l’inversione di polarità), per cui si potrebbero idealmente realizzare anche con un semplice mixer audio, anche se esistono processori dedicati a questa particolare elaborazione.

È possibile, ad esempio, ricostruire il segnale ripreso da un microfono cardioide puntato frontalmente utilizzando la combinazione lineare . Aumentando il guadagno della componente omnidirezionale o della componente direzionale si può ovviamente diminuire o aumentare la direttività della ripresa virtuale risultante. È altrettanto (o più) semplice, ad esempio, ricavare da un gruppo di segnali B-Format le componenti di una ripresa MS.

Array non coincidenti

È possibile comporre array di microfoni anche posizionando più capsule opportunamente distanziate tra loro, in una, due o tre dimensioni.

Una possibile implementazione monodimensionale è schematizzata nella figura 2a, in cui è riportato un array formato da tre capsule microfoniche affiancate. I singoli trasduttori sono semplici capsule a pressione, omnidirezionali, mentre i segnali elettrici in uscita dai trasduttori vengono semplicemente sommati. Un’onda sonora proveniente dalla direzione frontale raggiunge le capsule nello stesso istante, quindi in uscita vengono sommati tre segnali uguali e il risultato ha la stessa forma del segnale in ingresso ma l’ampiezza risulta moltiplicata per tre. Se, invece (figura 2b), l’onda sonora proviene da una direzione obliqua, il suono raggiunge le tre capsule in tempi differenti e il risultato della sommatoria è così un segnale più debole.

Da un altro punto di vista, si può pensare a quello che avviene nel dominio della frequenza. Intuitivamente, se un’onda sonora raggiunge le capsule in tempi differenti, alcune frequenze si sommano in maniera distruttiva mentre altre si sommano in maniera costruttiva. L’attenuazione dipende dalla frequenza, ovvero dalla lunghezza d’onda. In ogni caso, per le onde sonore provenienti dalla direzione perpendicolare all’array lo sfasamento è comunque nullo, quindi per tale direzione la somma sarà costruttiva ad ogni frequenza ed il guadagno complessivo sarà massimo.

Sviluppando i calcoli, si può notare che in bassa frequenza la direttività dell’array (cioè il guadagno rispetto al suono proveniente dalla direzione perpendicolare) diminuisce allontanandosi dalla perpendicolare, e tale diminuzione è tanto meno accentuata quanto più la frequenza è bassa. Aumentando la frequenza, la direttività aumenta. Questo è un risultato abbastanza intuitivo, direi, per chiunque abbia anche solo un’infarinatura di acustica ed elettroacustica.

La frequenza più bassa a cui si osserva un’interferenza completamente distruttiva (a 90° dalla direzione perpendicolare all’array) è una frequenza la cui lunghezza d’onda è paragonabile alla lunghezza complessiva dell’array: più l’array è lungo, in sostanza, maggiore è la direttività in bassa frequenza. Anche questo è abbastanza intuitivo.

Quando la frequenza aumenta ulteriormente, iniziano a comparire dei lobi, che si spostano al variare della frequenza. Tali lobi hanno comunque un’ampiezza inferiore a 0 dB, cioè la direttività rimane comunque inferiore rispetto a quella in direzione perpendicolare all’array.

Continuando a salire in frequenza, a partire dalla frequenza la cui lunghezza d’onda corrisponde alla distanza tra due capsule adiacenti, iniziano a comparire dei lobi a 0 dB rispetto alla direzione perpendicolare all’array, e anche in questo caso i lobi si spostano al variare della frequenza nonché variano in numero. 

La figura 3 riporta una rappresentazione di una sezione della polare di direttività dell’array lineare delle figure precedenti. In questo caso la simulazione è stata eseguita con tre capsule in linea spaziate di 20 cm l’una dall’altra (quindi l’array intero è lungo 40 cm). La direttività è riportata per tre frequenze diverse:

• a 500 Hz c’è un solo lobo principale e non ci sono zeri, ovvero non ci sono direzioni per le quali l’interferenza è completamente distruttiva. Questo avviene fino a circa 570 Hz, frequenza alla quale si presentano due zeri a ±90°;

• a 1 kHz la polare presenta degli zeri e diversi lobi secondari, di ampiezza massima comunque inferiore a 0 dB. Questo avviene fino a circa 1700 Hz, frequenza alla quale i due lobi a ±90° presentano un’ampiezza massima di 0 dB;

• a 2 kHz si notano alcuni lobi secondari di ampiezza pari a 0 dB, la cui posizione angolare (ed anche il loro numero) dipende dalla frequenza.

Per tutte e tre le frequenze riportate, la direttività a 0°, cioè in direzione perpendicolare all’array, è massima.

Riassumendo: la direttività dipende dalla frequenza ma è comunque massima (e coerente) per tutte le frequenze in direzione perpendicolare all’array, mentre dipende dalla frequenza ed è comunque complessivamente inferiore per le direzioni non perpendicolari. Gli array di grandi dimensioni e composti da tante capsule si comportano meglio, dal punto di vista della direttività e della coerenza al di fuori della direzione perpendicolare.

In maniera analoga a quello che succede con i diffusori, è possibile inclinare l’array elettronicamente, inserendo opportuni ritardi a valle di ciascun trasduttore. Questa tecnica è schematizzata nella figura 4, ed è applicabile anche in sede di post-produzione. È possibile, in altri termini, registrare così come sono tutti i segnali provenienti dalle diverse capsule che compongono l’array, per poi decidere a posteriori quale direzione evidenziare.

Un’altra considerazione riguarda il fatto che l’array, considerato qui in un’unica dimensione (cioè con le capsule allineate), si può estendere in due e anche in tre dimensioni, permettendo ulteriori interessanti possibilità di gestione della direttività. 

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