Il percorso del suono nei live

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Oggi vediamo dove passa il segnale generato da strumenti musicali e voce negli spettacoli dal vivo cominciando ad entrare un po’ nel vivo della elaborazione dei segnali per la musica.

Il primo passo che bisogna fare è quello di tradurre le variazioni di pressione in variazioni di segnale elettrico. Non abbiamo ancora parlato delle grandezze elettriche ma lo faremo presto, per ora diamo per buono il concetto di segnale introdotto la volta scorsa.

I trasduttori che fanno questa operazione sono i microfoni e i pick up. Questi sono necessari quando lo strumento non è in grado di generare autonomamente un segnale elettrico come potrebbe essere il caso, ad esempio, di un sintetizzatore.

I microfoni per il live devono essere robusti, sufficientemente fedeli e con elevata resistenza al feedback. Il concetto di feedback è ampio e, in qualche caso, ha anche risvolti positivi. Quando ha a che fare con palchi e microfoni è invece piuttosto fastidioso.

Il nome corretto, in questo caso, è effetto Larsen. Consiste nella produzione di un fischio che deriva dal fatto che il microfono, riprendendo il suono dell’altoparlante, lo rimanda nel sistema di amplificazione che, a sua volta, lo rimanda nel microfono. Questo circolo vizioso è particolarmente enfatizzato su una frequenza singola (frequenza di risonanza) che caratterizza, appunto, l’effetto.

I microfoni utilizzati principalmente per il live sono di due categorie:

  • dinamici: robusti, economici e di sensibilità sufficiente a garantire una buona prestazione
  • a condensatore: più delicati, molto sensibili e in grado di rappresentare tutti i dettagli sonori, meno resistenti al feedback

Alcuni strumenti musicali affidano la trasduzione a dispositivi denominati pick-up. Tra questi chitarre e bassi elettrici, alcuni piani elettrici, strumenti acustici. Anche in questo caso abbiamo due categorie principali:

  • pick-up magnetici: si trovano su tutte le chitarre e i bassi elettrici. Sono costituiti da avvolgimenti di filo elettrico intorno a magneti di forma opportuna. Sfruttano le variazioni di campo magnetico provocate dalle corde per generare un segnale elettrico all’uscita dello strumento
  • pick-up piezoelettrici: sfruttano un fenomeno fisico (la piezoelettricità) secondo il quale su determinati materiali (tipicamente ceramiche) a una deformazione meccanica corrisponde la generazione di un segnale elettrico. Si trovano su tutti gli strumenti acustici amplificati (chitarre, bassi, violini…)

Ci sono altre categorie di pick-up ma è più raro trovarli in giro. Capita spesso, invece, di trovare sistemi di ripresa costituiti da combinazioni di pick-up (piezo + magnetico) o uso simultaneo di pick-up e microfono.

Il livello del segnale emesso da uno strumento musicale non è sufficiente a far vibrare le membrane degli altoparlanti ed è quindi necessario elaborarlo prima di inviarlo all’impianto di Public Address (PA) che è il sistema di amplificatori e casse che serve a far sentire a tutti il lavoro dei musicisti.

L’oggetto che si occupa di fare questa elaborazione è il mixer. Questo serve a:

  • raccogliere tutti i segnali generati dai musicisti
  • elaborarli in modo appropriato (eventualmente aggiungendo effetti speciali)
  • combinare i suoni in modo da realizzare un messaggio musicale omogeneo
  • inviare il segnale così elaborato al PA

Una funzione ausiliaria del mixer è quella di fornire ai musicisti uno strumento per ascoltare con la giusta qualità la propria esecuzione inserita nel contesto musicale specifico (monitoring). Quando la situazione si fa complicata la funzione di monitoring può essere delegata ad un sistema dedicato. In quel caso si avrà un mixer di sala (a volte si parla di FOH dall’inglese Front Of the House) e un mixer di palco dedicato al monitoring per i musicisti.

Per mettere tutti d’accordo e far sì che componenti di marchi diversi possano lavorare insieme ci sono dei livelli e delle tipologie di segnale standard. Esistono standard per tutti i gusti ma tutti, inevitabilmente, fanno riferimento ad una unità di misura particolare che si chiama Bel (B).

Il nome di questa unità rende omaggio a Graham Bell (famoso in Italia per la diatriba con Meucci sull’invenzione del telefono) e utilizza uno strumento matematico inventato da un certo Nepero che si chiama logaritmo.

Il logaritmo ha due grossi vantaggi:

  • la sua funzione matematica rappresenta bene il comportamento dell’orecchio umano
  • semplifica i calcoli perché è in grado di trasformare il prodotto in somma

Per completare il quadro si deve tenere presente che:

  • il Bel è sempre il logaritmo di un rapporto (c’è quindi sempre un valore di riferimento)
  • 1 Bel è un valore molto grande e quindi si usano sempre dei sottomultipli (decimi di Bel o deciBel) indicati con dB.

I segnali che ci interessano sono di tre tipi:

  • segnali microfonici: disponibili all’uscita di un microfono e di livello molto basso
  • segnali “instrument”: sono presenti all’uscita di strumenti con pick-up
  • segnali di linea: sono disponibili all’uscita di strumenti nel caso di tastiere o strumenti acustici con pre-amplificatore a bordo. Questo tipo di segnali si trova anche alle uscite del mixer ed è di livello (in dB) tale da poter essere inviato al PA.

Il mixer prende i segnali dei tipi su indicati, li trasforma in segnali di linea, li combina (li somma) e li invia al PA. Prima della somma i segnali sono elaborati singolarmente attraverso una serie di dispositivi raggruppati nella striscia di canale (channel strip).

Una channel strip tipica è composta dai seguenti moduli:

Pre-amplificatore

Può avere tre tipologie di ingressi:

  • Mic: per segnali microfonici
  • Inst: per segnali provenienti da strumenti con pick-up
  • Line: per segnali a livello di linea

Il controllo principale è il guadagno (gain) che misura l’amplificazione applicata al segnale di ingresso. Può arrivare ad 80dB (che sono tantissimi). Qui arriva la prima applicazione utile dei logaritmo (e dei deciBel): se a un segnale di -30dB applichiamo una amplificazione di 35dB che livello otteniamo in uscita? Semplice: +5dB! (vi ricordate che il prodotto con i dB diventava somma?)

Equalizzatore

Ne parleremo in modo più esteso prossimamente. È un dispositivo in grado di cambiare il contenuto in frequenza di un segnale adattandolo al contesto e rendendolo più o meno invadente rispetto agli altri.

Sezione mandate ausiliarie

Insieme di connessioni con controllo dei livelli che serve per inviare il segnale ai monitor o agli effetti esterni (tipicamente modulazioni e ritardi).

Sezione di uscita

Ospita la matrice di connessione per indirizzare il segnale elaborato alle varie uscite del mixer. Oltre questa si trova, in questo modulo, l’attenuatore (Fader) che è il controllo a slitta (slide) in grado di attenuare completamente un segnale. In realtà, in questo stadio, è possibile anche amplificare di ulteriori 10dB. L’escursione del fader va quindi da meno infinito a +10dB passando per 0dB (nessuna modifica). Altro controllo di questa sezione è il bilanciamento (balance o pan) che serve a posizionare il segnale nel panorama stereo all’uscita del mixer in modo da ricostruire la scena (posizione dei musicisti sul palco) o per creare effetti speciali.

Tra pre-amp ed equalizzatore si trova di solito un punto di insert nel quale è possibile inserire processori ulteriori. A questo livello si applicano gli apparati in grado di elaborare la dinamica verso l’alto (compressori, limiter) o verso il basso (expander e gate).

I singoli canali, attraverso la matrice di connessione, entrano nei bus di somma. Nei mixer più semplici questi sono solo due (Left e Right). Soluzioni più complesse consentono però di lavorare con più bus per agire su gruppi di strumenti. Il caso tipico è il bus (stereo della batteria) che consente, ad esempio, di regolare il volume dell’intero drum set. Nei mixer di palco la sezione di uscita è… molto attrezzata dovendo supportare le uscite per i sistemi di monitoring di tutti i musicisti.

Per aiutarvi a capire riportiamo il pannello di controllo della piccola (ma efficacissima) console SSL SiX che contiene tutti gli elementi appena descritti (e anche qualcosa in più):

I segnali di uscita dal mixer sono tutti a livello di linea. Approfondiamo.

Come detto per determinare il livello in dB di un segnale si deve sempre avere un valore di riferimento. Esistono quindi vari livelli in dB che dipendono dal riferimento utilizzato. Tra questi:

  • dBV: livello in dB rispetto a 1Volt (utilizzato nell’audio consumer)
  • dBm: livello in dB rispetto a 1mW (utilizzato nell’audio pro)
  • dBu : livello in dB rispetto a 1mW su un carico standard (600Ohm)

Per mettere d’accordo tutti vengono definiti i livelli nominali (quelli che fanno lavorare le apparecchiature al meglio). In particolare:

  • l’audio consumer ha un livello nominale di -10dBV (pari a 0,316Volt)
  • l’audio professionale  ha un livello nominale di +4dBu (pari a 1,23Volt)

Come immaginate è opportuno connettere insieme solo apparecchiature con lo stesso livello nominale.

Abbiamo visto nell’articolo precedente che la dinamica di un segnale è la differenza tra il suo valore massimo e il suo valore minimo. A questo punto possiamo ragionare sulla capacità di un sistema audio di gestire un segnale ad elevata dinamica.

In basso la capacità del sistema di gestire segnali è limitata dal livello di rumore (il rumore è generato sempre e dipende dalle agitazioni termiche delle particelle che compongono i conduttori). Un buon livello di rumore è, diciamo, -90dBu. Sappiamo che il livello nominale è +4dBu, potremmo concludere che il sistema è capace di elaborare segnali con dinamica di 94dBu.

In effetti, soprattutto per i sistemi analogici, le cose sono un po’ migliori. La capacità dei progettisti è tale per cui più o meno tutti i sistemi sono in grado di lavorare sopra il livello nominale per altri 20-22dBu prima di cominciare ad introdurre distorsione udibile. Il limite superiore è dato quindi dal livello minimo di segnale che porta il sistema in distorsione. La differenza tra questo e il livello nominale è definita headroom.

Affinché il sistema operi in modo ottimale, il livello di distorsione non deve essere raggiunto in nessuno dei punti del tragitto del segnale. Gli stadi di guadagno, come abbiamo visto, sono molti. Troviamo il pre-amp, l’eventuale processore nel punto di insert, l’equalizzatore, il fader di canale, i fader di eventuali bus e il fader del master. Tutti questi controlli devono essere regolati in modo da ottenere un segnale che non porti mai in distorsione il sistema e garantisca una uscita al livello nominale (la headroom dovrebbe essere usata solo per gestire le emergenze o… per scopi creativi). In questo modo si ottimizza anche un parametro molto importante che si chiama rapporto segnale/rumore (Signal to Noise Ratio o SNR). L’operazione di regolazione dei guadagni lungo il percorso con l’obiettivo di aumentare lo SNR senza incorrere in distorsione udibile si chiama Gain Staging.

Tutto quanto appena detto può essere realizzato anche con banchi (“banco” è un altro modo per dire mixer insieme a “console”) digitali. Questi riproducono esternamente (quasi del tutto) la struttura dei sistemi analogici ma ci danno la possibilità (grazie agli schermi LCD) di gestire molte informazioni anche dal punto di vista visivo. Un sistema digitale riproduce tutte le funzionalità dei sistemi analogici con i vantaggi seguenti:

  • maggior numero di canali (di ingresso e uscita) a parità di superficie fisica
  • possibilità di memorizzare le configurazioni attraverso scene richiamabili a piacere
  • capacità di inserire le elaborazioni di dinamica e gli effetti di modulazione e ritardo senza ricorrere a sistemi esterni
  • possibilità di aggiornamento delle funzionalità basata sulla modifica del firmware (il firmware è il software di gestione della macchina che risiede all’interno della sua memoria)
  • possibilità di registrare (anche in multitraccia) la performance
  • possibilità di gestione da remoto (bluetooth o WiFi)

a vantaggio dell’analogico rimane, forse, un suono più eufonico ma la praticità dei banchi digitali è talmente elevata che ormai, dal vivo, si trovano solo mixer digitali (a meno di non trovarsi in situazioni low budget).

I convertitori A/D e D/A sono ormai tutti a 24bit. A questa risoluzione corrisponde la gamma dinamica di 124dB che però, nei sistemi digitali, va trattata diversamente. Mentre in analogico un certo livello di distorsione può risultare addirittura piacevole, in ambito digitale superare il livello massimo consentito vuol dire rovinare la performance tanto è sgradevole il risultato sonoro.

In questo caso i dB sono riferiti al fondo scala (Full Scale – FS) del convertitore (che non deve essere mai raggiunto). Si parla quindi di 0dBFS per rappresentare il massimo valore raggiungibile da un convertitore. Si è deciso di lasciare una headroom “digitale” di 18dBFS. Questo vuol dire che il livello nominale analogico (+4dBu) deve corrispondere, in un sistema digitale ben configurato, a -18dbFS.

All’interno del mixer si può essere più rilassati perché l’elaborazione del segnale è fatta in virgola mobile (floating point). Senza scendere troppo nei dettagli, con questo sistema si riesce a raggiungere una gamma dinamica talmente grande da poter essere considerata infinita. Non ne approfittate, però, e tenete le orecchie sempre ben aperte!

Concludiamo con qualche informazione sui cavi. Dal vivo le distanze possono essere importanti (anche centinaia di metri). E’ fondamentale quindi avere connessioni stabili, di qualità e con buone caratteristiche elettriche.

In analogico si usano cavi bilanciati. Questi hanno la caratteristica di essere poco sensibili al rumore catturato lungo il percorso del segnale grazie ad uno stratagemma messo in pratica dagli ingegneri di qualche decennio fa.

In pratica il segnale è trasportato da due conduttori più la massa. Nei due conduttori c’è lo stesso segnale (S) ma scambiato di segno (-S). Durante il tragitto il rumore (N) si somma sui due cavi di segnale allo stesso modo. Arrivati a destinazione un circuito apposito fa la differenza dei due contributi. In questo modo il segnale utile raddoppia: S-(-S)=2S mentre il rumore si annulla N-N=0. Intelligente, vero?

Per questa ragione è sempre opportuno lavorare con connessioni e segnali bilanciati. Per bilanciare un segnale sbilanciato (chitarra, basso, ecc) si ricorre a dei dispositivi denominati Direct Inject (D.I.) che è sempre opportuno avere disponibili sul palco.

Anche dal punto di vista del trasporto i sistemi digitali danno grandi vantaggi rispetto agli analogici. Le connessioni possono essere di vario tipo ma, sfruttando standard specifici (MADI, DANTE, ecc) con un solo cavo multipolare possono trasportare per lunghi tragitti grandi quantità di canali con una grossa insensibilità al rumore.

Fanno parte dei sistemi digitali anche i sistemi wireless che si usano per i microfoni/strumenti e gli in-ear monitor perché fanno uso di modulazioni digitali su onde radio.

La prossima volta ci porremo il problema del percorso del segnale in studio. A presto!

Sono un ingegnere elettronico con la passione per la musica ed il suono. Mi sono avvicinato alla musica da autodidatta (salvo una breve parentesi alla University of the Blues di Dallas) e ho suonato nei peggiori locali italiani (con casuali puntate all'estero).
Ho costruito la mia prima radio FM appena finita la terza media. Ho continuato con amplificatori a valvole e transistor fino ad arrivare alla produzione di circuiti integrati.
Collaboro da anni con varie riviste (cartacee e web) di musica nelle quali mi occupo di recensioni di strumenti musicali e sistemi per l'elaborazione del suono. Trovate le mie pubblicazioni su Accordo (accordo.it), la rivista Chitarre (dal 2010 al 2015) e su Audio Central Magazine (audiocentralmagazine.com).
Produco musica da un po' nello NTFC Studio che serve sostanzialmente per le produzioni di NTFC Band.

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