Microfoni, casse e monitor

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Come ormai sapete benissimo (?!) le onde sonore si propagano nello spazio e procedono nel tempo con una certa velocità (circa 340 m/s). I nostri sistemi di elaborazione del suono devono fare i conti con questa realtà. Siccome siamo bravi a gestire i segnali elettrici dobbiamo trasformare le variazioni di pressione in segnali elettrici e poi, una volta terminata l’elaborazione, ri-trasformare questi ultimi in onde di pressione.

Il primo passaggio (da pressione a segnale) lo fanno i microfoni, il secondo (da segnale a pressione) lo fanno gli altoparlanti.  

Un microfono è caratterizzato da tre caratteristiche principali:

Sensibilità: è la capacità di convertire in segnale elettrico una determinata pressione sonora. Di solito si misura per una pressione di riferimento fornendo (in dB) il livello del segnale generato.

Risposta in frequenza: indica il comportamento del microfono al variare della frequenza. Teoricamente la risposta dovrebbe essere uniforme, nella pratica ci possono essere variazioni anche sensibili

Fig1 – Risposta in frequenza cardio U87

La Fig1 mostra la risposta in frequenza del Neumann U87 (con e senza l’attivazione del filtro passa alto)

Diagramma polare: è un diagramma che rappresenta la capacità del microfono di catturare suoni provenienti da direzioni diverse. Di fatto rappresenta la sensibilità del microfono al variare dell’angolo di incidenza del fronte sonoro. I diagrammi più diffusi sono:

  • omni: il microfono mostra la stessa sensibilità in tutte le direzioni
  • cardiode: la massima sensibilità si ha per sorgenti frontali, la minima sul retro della capsula e valori intermedi per angoli di incidenza intermedi. La forma del diagramma ricorda un cuore e da questo deriva il nome. Quando la risposta è molto concentrata sul fronte si parla di super o iper cardioide.
  • A figura di otto: anche in questo caso il nome deriva dalla forma del diagramma che mostra maggiore sensibilità sul fronte e sul retro e sensibilità nulla ai lati

Alcuni microfoni possono avere più diagrammi polari attivabili grazie ad un apposito selettore per adattare la ripresa alla situazione particolare.

Risposta in frequenza e diagramma polare sono legati fra loro (un cardioide, ad esempio, non ha la stessa forma per tutte le frequenze. Fate riferimento alla Fig2 per un esempio – sempre relativo al Neumann U87).

Fig2 – Diagramma polare cardio U87

Tipicamente i microfoni dinamici sono cardioidi (eventualmente nelle varianti iper e super), i microfoni a condensatore possono avere diagramma polare regolabile mentre i microfoni a nastro hanno tutti un diagramma a figura di 8.

Fig3 – Diagramma polare 8 U87

La scelta del particolare diagramma polare dipende dal contesto e dal risultato che si vuole ottenere. Il cardioide (o varianti) è il più direzionale e si usa quindi quando si cerca di separare la sorgente da eventuali interferenze (strumenti vicini, ad esempio). Al diagramma cardioide è legato l’effetto prossimità che consiste in un incremento della risposta sulle basse frequenze quando la sorgente si avvicina alla membrana del microfono.

La soluzione omni si preferisce quando si vuole registrate tutta la scena e il diagramma a otto per privilegiare una direzione rispetto alla sua perpendicolare. Questo diagramma si usa anche nella tecnica Mid-Side (che richiede due microfoni) che vedremo meglio nei prossimi articoli.

Come avrete intuito, la risposta del microfono dipende molto dalla posizione che questo assume rispetto alla sorgente. Questo consente, con l’esperienza, di modellare il suono modificando la posizione del microfono variando la distanza e l’angolo in modo da arrivare al risultato desiderato.

Un altoparlante è un microfono (dinamico) usato al contrario. In questo caso un segnale (che deve essere di potenza adeguata) attraversa una bobina avvolta su un magnete permanente. L’interazione tra campo magnetico fisso (generato dal magnete) e campo magnetico variabile (legato al segnale elettrico) fa muovere la bobina. Se a questa leghiamo un sistema in grado di muovere l’aria (la membrana dell’altoparlante) otteniamo una variazione di pressione funzione del segnale elettrico.

Anche gli altoparlanti hanno una risposta in frequenza e un diagramma polare di emissione. Questo è fortemente legato alla forma del contenitore dell’altoparlante (anche il diagramma polare dei microfoni dipende molto dalla forma del contenitore della capsula). Anche per l’altoparlante esiste il legame tra frequenza e angolo di emissione. Invece di sensibilità, in questo caso si parla di efficienza che rappresenta la capacità dell’altoparlante di tradurre in pressione sonora una determinata potenza in ingresso.

La pressione sonora si misura in dB SPL (Sound Pressure Level). Il valore di riferimento (ricordate che i dB sono il logaritmo di un rapporto e che serve sempre un valore di riferimento, vero?) è pari a 20 µPa (micro Pascal, dove Pascal è la unità di misura della pressione).

Una caratteristica che allontana un po’ gli altoparlanti dal dualismo con i microfoni è la risposta in frequenza che, in questo caso, è molto stretta. Tale risposta in frequenza è legata alle dimensioni dei coni. Coni grandi sono in grado di gestire lunghezze d’onda maggiori e quindi frequenze basse. Coni piccoli gestiscono meglio le frequenze alte. I coni grandi tendono ad avere un diagramma di emissione omnidirezionale, coni piccoli sono invece cardioidi (eventualmente iper/super). Questo implica che un sistema di riproduzione, per coprire l’intera banda audio (20Hz – 20 KHz) deve far ricorso a più altoparlanti. 

Per le alte frequenze non è raro trovare sistemi a nastro che, anche qui, funzionano al contrario (il campo magnetico fa vibrare il nastro che muove l’aria) rispetto ai microfoni realizzati con la stessa tecnologia.

Anche i materiali influenzano la capacità di risposta e la capacità di seguire variazioni repentine del segnale elettrico (questo fenomeno viene rappresentato con il cosiddetto fattore di smorzamento).

Un sistema di riproduzione audio (cassa o speaker, in inglese) deve essere composto da:

  • Un numero adeguato di altoparlanti specifici per le varie gamme di frequenza da riprodurre
  • Un sistema per mandare ad ogni altoparlante solo le frequenze per le quali questo funziona al meglio (un sistema di questo tipo si chiama filtro cross-over)
  • Un contenitore che tenga insieme questi componenti

Tipicamente si trovano quattro tipologie di altoparlanti:

  • sub-woofer: dedicato alla riproduzione delle frequenze molto basse (orientativamente da 20 a 150 Hz)
  • woofer: dedicato alla riproduzione delle basse frequenze (da 40 a 250Hz, orientativamente)
  • mid-range: per le frequenze medie (da 200 a 4KHz circa)
  • tweeter: per le frequenze alte (si va da circa 2500Hz fino a 50KHz)

Come vedete i valori delle frequenze si sovrappongono perché progettare sistemi di riproduzione buoni è complesso e ogni produttore ha le sue ricette specifiche.

Il numero di altoparlanti in una cassa definisce il tipo di progettazione. Si trovano design a una via, due vie, tre vie. Sistemi più complessi si possono utilizzare (specialmente dal vivo) combinando speaker dedicati alle medio-alte (in gruppi – array – per risolvere il problema della direzionalità), basse e sub-basse.

Per migliorare la risposta in bassa frequenza spesso si usa il meccanismo del bass-reflex. Questo sfrutta il movimento del woofer (che oscilla) in entrambe le direzioni. Quando il woofer spinge verso l’esterno si ha la normale riproduzione. Quando il woofer si muove verso l’interno della cassa, si raccoglie l’aria spostata e, facendole fare un percorso opportuno (legato al volume dell’involucro o, in qualche caso, a vere e proprie guide d’onda), si riporta in fase con il movimento verso l’esterno il flusso d’aria aumentando la pressione sonora in gamma bassa.

In questo modo si migliora la risposta in frequenza ma si peggiora la capacità di rispondere rapidamente alle variazioni (si peggiora, quindi, il fattore di smorzamento) perché la colonna d’aria che si muove dall’interno impiega un certo tempo.  

Fig4-ATC-7

Nella figura è riportato un esempio di cassa a due vie per Hi-Fi (ATC-SCM7).

Il filtro cross-over può essere inserito in prossimità degli altoparlanti o prima dell’amplificatore di potenza. Nel primo caso la realizzazione è fatta con componenti passivi (resistori, induttori e condensatori) sufficientemente dimensionati per sopportare le potenze in gioco. Un metodo diverso può essere seguito realizzando degli amplificatori di potenza dedicati ai singoli altoparlanti inserendo il cross-over tra pre-amplificatore e stadi di potenza. Il vantaggio di questa configurazione risiede nel fatto che il filtro viene realizzato con componenti a bassa potenza e diventa possibile utilizzare componenti attivi (transistor o amplificatori operazionali integrati) per ottenere filtri molto più efficaci. In questa configurazione si può ricorrere anche a filtri digitali che consentono anche altre funzionalità che vedremo tra poco.

Le casse con crossover e altoparlanti inseriti nello stesso cabinet ma senza amplificatore di potenza sono definite passive.

Con il termine casse attive si intende, invece, uno speaker che, all’interno del cabinet, contiene il cross-over, gli stadi di potenza e gli speaker come, per esempio, il monitor Adam riportato in figura (che, tra l’altro, ha il tweeter a nastro).

Fig5-ADAM-A77X (B)

Un modo per avere una risposta coerente sui bassi fino al limite inferiore della banda audio (20Hz) è quello di inserire speaker disegnati per rispondere a esclusivamente a frequenze molto basse. Questi sistemi, denominati sub-woofer, si occupano della gamma bassa (diciamo da 20Hz a 50-80Hz) lasciano a speaker diversi (magari specifici) la riproduzione delle medio-alte (questa tecnica si usa molto spesso, ma non solo, nei concerti).

Fig6-Subwoofer

Quando il suono si propaga negli ambienti chiusi provoca un fenomeno conosciuto sotto il nome di onde-stazionarie. Questo succede per tutte le stanze di ogni forma e dimensione e consiste nella generazione di punti di accumulo o di svuotamento di energia per determinate frequenze (specifiche della stanza). L’effetto più fastidioso è sulla percezione dei bassi perché, se il punto di ascolto si trova un una zona di accumulo, si percepiscono più bassi della realtà. Il contrario accade quando il punto di ascolto è in una zona di svuotamento. Questo implica che si può installare il sistema di speaker con la risposta più piatta del mondo ma, nella stanza ci saranno sempre problemi. La risoluzione passa per varie procedure. Quelle meccaniche consistono nell’inserire dei sistemi di accumulo dell’energia (che per le basse frequenze si trovano in prossimità degli spigoli, sono le cosiddette bass trap) che rendano più uniforme la risposta dell’ambiente. È possibile anche installare dei risuonatori meccanici sintonizzati su frequenze specifiche (risuonatori di Helmoltz). Le frequenze medio-alte, invece possono essere assorbite con pannelli fonoassorbenti installati in punti chiave della stanza.

Questi aiutano, insieme a pannelli diffusori, a ridurre un altro fenomeno che affligge tutti gli ambienti chiusi: il riverbero che è dovuto alla riflessione multipla dei fronti sonori sulle pareti. Anche questo è un fenomeno presente in tutti gli ambienti chiusi che non si può eliminare del tutto (ci sono ambienti, detti camere anecoiche dove il riverbero è attenuato quasi del tutto ma, per fortuna, per un ascolto gradevole, è opportuno che una certa quantità di riverbero sia comunque presente). Naturalmente anche la posizione delle casse nella stanza influenza i modi di riflessione e quindi tutte le caratteristiche di cui abbiano parlato fino ad ora. Ottenere una buona acustica in un ambiente chiuso è complesso e, di solito, si ricorre a specialisti del settore.

Un altro modo di affrontare i problemi dell’acustica della stanza è quello di procedere per via elettronica. Misurata una risposta in frequenza è immaginabile inserire dei filtri nella catena di riproduzione che compensino in modo da attenuare nei picchi ed esaltare nelle valli fino ad ottenere una risposta piatta.

Ultimamente ci sono vari tool che aiiutano molto nell’utilizzo di questo approccio. Citiamo IK Multimedia ARC System o alcuni speaker Genelec che hanno built-in il sistema di correzione con il relativo software di gestione (Genelec Loudspeaker Manager). Inutile dire che l’avvento del digitale ha fortemente aiutato le tecniche di correzione.

Negli ambienti aperti il tema delle riflessioni è meno sentito (ma può comunque esistere creando fenomeni di eco molto sgradevoli). In questo caso, però, si deve lavorare in modo da:

  • raggiungere tutti gli ascoltatori potenziali
  • compensare i ritardi che si percepiscono in caso di installazione di array di speaker molto distanti tra loro (nei concerti è facile arrivare a decine di metri con ritardi e interferenze percepibili).

I moderni sistemi di Public Address (PA) sono forniti di software di simulazione per progettare il sistema di riproduzione prevedendone il comportamento. La progettazione si fa sul PC

Fig7 – simulazione

avendo cura di realizzare il sistema in conformità a quanto progettato.

Fig8-Palco

Chiudiamo l’articolo di oggi parlando degli amplificatori di potenza. Questi, come detto, sono installati appena prima dell’altoparlante e hanno il compito di elevare la potenza del segnale per fare in modo che gli altoparlanti riproducano la musica con il desiderato livello. Richiedono la presenza di componenti attivi (valvole o transistor) e possono erogare da pochi Watt (W) fino a  diverse centinaia di W. Ovviamente fronti sonori importanti si ottengono combinando più amplificatori di potenza (detti anche finali) con array di casse. Per l’audio si utilizzano tre tipologie di amplificatore finale:

Classe A: è caratterizzata dal fatto che i dispositivi attivi sono percorsi da corrente anche quando non amplificano nessun segnale. Sono i meno efficienti in termini di resa (scaldano più di tutti) ma, a detta di molti, i più fedeli. Si trovano negli amplificatori per chitarra (da 5w a 30w) e in quelli Hi-Fi. Se realizzati a valvole richiedono un trasformatore di uscita che adatta l’impedenza di uscita (alta) a quella del carico (che va da due ad otto Ohm).

Classe B: lo stadio finale ha almeno due componenti attivi che amplificano l’onda metà per uno (uno la semi-onda positiva e l’altro la negativa). In questo modo ogni componente lavora metà tempo ed il sistema risulta più efficiente. Anche qui, in caso di valvole, serve il trasformatore di uscita. Hanno il problema che il punto di incrocio tra le due semi-onde può essere soggetto a distorsione se il cambio non è perfettamente sincronizzato (distorsione di cross-over, che non ha niente a che vedere, nome a parte, col filtro cross-over già visto). Per evitare questo fenomeno si sovrappongono di poco i punti di switch dei componenti attivi e si parla di Classe AB. Questo tipo di amplificatori è molto diffuso in tutte le applicazioni.

Classe D: definiti – erroneamente – da qualcuno amplificatori digitali, sono realizzati in modo da rendere la variazione di larghezza (nel tempo) di un’onda quadra (Pulse Width in inglese) rappresentativa della variazione di pressione sonora. Essendoci una grandezza che varia in analogia col fenomeno da rappresentare siamo ancora in ambito analogico. Il grosso vantaggio è che possiamo amplificare di molto un’onda quadra senza preoccuparci di distorsioni ed inefficienze perché il messaggio non è legato all’ampiezza del segnale. Con questi amplificatori si può arrivare anche a centinaia di W (non ne esistono a valvole). La confusione con il digitale deriva dal fatto che la trasformazione da ampiezza a pulse width si ottiene attraverso un campionamento (che però non è seguito da una conversione A/D). Vengono usati quando c’è bisogno di alta potenza e/o leggerezza. Vista la loro efficienza si stanno diffondendo sempre di più nel mondo audio fino ad arrivare alla Hi-Fi. Anche per questa volta è tutto. Vi diamo appuntamento alla prossima settimana nella quale torneremo ad occuparci di elaborazione del suono.

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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