TND: dove sta l'errore...

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F.Calabrese
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TND: dove sta l'errore...

#1 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 11:35

La misura della TND (Total Noise Distortion) è un cavallo di battaglia di Audioreview dall'estate del 2006 ed è spiegata nei numeri 268 e 269 della stessa rivista.

Di per sé l'idea è buonissima, ed è quella di rilevare la distorsione di un diffusore smettendola di impiegare i soliti segnali sinusoidali a frequenza singola (o doppia, per IMD e per Differenza di Frequenza), per impiegare un segnale a banda larga, assai più simile spettralmente a quanto contenuto nei normali brani musicali.

Prima dei "nostri" di AR si sono cimentati sullo stesso campo esperti internazionali, come Belcher e Temme, dai cui scritti trarremo la conferma alle due obiezioni che da sempre vado personalmente formulando, e che sono il vero argomento di questo thread.

La prima mia obiezione è che un segnale di prova con un Fattore di Cresta elevato (intorno a 10 dB) sollecita in realtà il diffusore in prova più ai medi livelli che agli alti livelli, in corrispondenza dei quali contiene infatti poca energia.

Questo spiega il perché la differenza tra i diffusori piccoli e fragili ed i veri "mostri" -di costo e prestazioni- sia sminuita da questa misura, come nel proverbio: "al buio tutti i gatti son bigi "...

La seconda obiezione è semplice: AudioReview impiega come segnale di misura del Rumore Rosa elaborato, il cui spettro contiene relativamente MOLTE più alte frequenze di quante ne contenga qualsiasi segnale musicale.
Anche in questo caso si adotta una procedura che evita di discriminare tra diffusori con potenzialità assai differenti.

In due parole: la solita misura che permette al recensore di scrivere che "il diffusore va bene" anche quando le prestazioni reali dello stesso sono a dir poco miserande.

Nei prossimi post spiegherò le proporzioni del problema.

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P.S.: Ovviamente esistono tecniche di misura più "intelligenti" e discriminanti... Ma ne parleremo alla fine del thread.

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Re: TND: dove sta l'errore...

#2 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 12:04

Ecco la "spiegazione ufficiale" della tecnica di misura nota come TND, presa dalle pagine di AR n.268:


TND_AR268_2.jpg
TND_AR268_2.jpg (257.56 KiB) Visto 6433 volte



Come potete vedere, il campione di Rumore Rosa (riquadro 1, con pendenza esagerata...) viene filtrato in due modi diversi, per bande alterne e complementari, che vengono inviate al diffusore in prova (D), prima l'una poi l'altra.

Il segnale ripreso dal microfono di misura viene analizzato via FFT (riq. 4 e 6) e processato in modo di eliminare le bande alterne in cui c'era segnale, lasciando solo quelle che contengono la somma del rumore di fondo dell'ambiente e dei vari prodotti di distorsione (riquadri 5 e 7).

Infine, le bande con la distorsione vengono assemblate in un unico spettro (riquadro 8). I valori di questo spettro vengono paragonati a quelli del segnale di prova, banda per banda, ed il risultato è appunto un valore percentuale di distorsione.

Vi sarete già accorti di un problema in apparenza grave: quello relativo all'impossibilità di discriminare il rumore di fondo dell'ambiente di misura rispetto ai prodotti della distorsione...! In pratica -però- questi hanno livelli talmente elevati e stabili da emergere ben al di sopra del rumore, che è anche mediato dall'enorme lunghezza del segnale di prova.

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#3 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 12:14

Questi sono gli spettri delle "due metà" del Rumore Rosa impiegate come segnale di prova nella TND. Notate che l'analisi FFT graficata direttamente (da Cool Edit), senza integrazione per bande, mostra uno spettro decrescente verso le alte...
...mentre un analisi per bande percentuali (p.es. di un terzo d'ottava) mostrerebbe un andamento orizzontale.

TND_AR268_1.jpg
TND_AR268_1.jpg (261.05 KiB) Visto 6430 volte


Nonostante l'impiego di un segnale "benigno", come il Rumore Rosa, il contenuto di basse profonde è comunque un gran problema per questa misura, perché queste frequenze sono particolarmente indigeste per i piccoli diffusori domestici.
Per questo motivo il segnale è "ufficialmente" filtrato sotto 16 Hz (nel 2006), ma nei grafici pubblicati successivamente si intuisce che il taglio sia stato ufficiosamente spostato sui 40 Hz., per non compromettere i risultati nel caso della pratica totalità dei diffusori in prova... Come potete vedere nell'esempio qui sotto, completo di commenti.

TND_AR269_3.jpg
TND_AR269_3.jpg (306.63 KiB) Visto 6430 volte


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#4 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 12:26

Ora passiamo ad un aspetto interessante di questa tecnica di misura: la sensibilità del risultato all'eventuale filtraggio delle frequenze più basse (e quindi rispetto al loro livello relativo) ... Guardate qui sotto:

TND_AR269_3.jpg
TND_AR269_3.jpg (306.63 KiB) Visto 6429 volte



Come potete vedere, lo stesso diffusore fornisce risultati assolutamente diversi se il segnale di prova viene filtrato o meno...

Notate l'enorme differenza tra la curva in blu (banda larga) e quella in rosso (filtro a 100 Hz)... sotto 200 Hz la distorsione diminuisce di 10-20 volte !!!

Ora fate attenzione: il grafico è tagliato comunque a 40 Hz., per cui qualora venga introdotto o meno un filtraggio al di sotto di questa frequenza, di certo questo non sarebbe visibile sul grafico...! Forse nemmeno se la frequenza fosse superiore...!

Abbiamo un caso in cui questo fatto finisce per comportare un risultato altrimenti inspiegabile, ma ve lo mostro nel prossimo post.

Per ora accontentiamoci di riflettere sul fatto che basta una innocente "filtratina" del segnale di prova, per far risultare migliore un diffusore che non lo è... senza che alcuno possa dedurlo dall'osservazione del grafico !!!

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#5 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 12:45

Ora esaminiamo un caso apparentemente inspiegabile, ma che in realtà è facile capire.
Osservate qui sotto il risultato della misura di TND a 90 e 100 dB nientemeno che sulle Focal Grand Utopia, probabilmente il massimo diffusore a radiazione diretta (con un woofer da 16"/40cm. elettrocitato, di costruzione a dir poco magistrale). La TND è in media tra lo 0,5% e l'un per cento... a seconda del livello di prova, e sotto i 5 KHz.

Utopia_TND.jpg
Utopia_TND.jpg (267.53 KiB) Visto 6428 volte

Ed ora confrontate quei risultati con quelli della modesta KRK Exposé-B, provata sullo stesso numero 305 di AR...

KRK_E8Brd.jpg
KRK_E8Brd.jpg (342.23 KiB) Visto 6428 volte


Oddio... va leggermente meglio !!! Eppure si tratta di un due vie amplificato, con un wooferino da appena 17 cm...!!!

La spiegazione in realtà è semplice: essendo amplificate, le KRK incorporano un filtro passa-alto, che rigetta le frequenze sotto 50-60 Hz., che metterebbero drammaticamente in crisi il piccolo wooferino...

Si vede tutto questo, dal grafico...?

Beh... un osservatore veramente esperto noterebbe lo strano andamento decrescente nella prima ottava in basso, e scoprirebbe che questo è presente anche nelle misure di MOL...
Ma qui nemmeno il recensore (che è anche l'autore delle misure) sembra accorgersene.

La morale è che basta un dettaglio per alterare profondamente i risultati di una misura di distorsione... un dettaglio che può sfuggire all'attenzione anche di osservatori attenti... Qui è accaduto per caso... ma se la stessa operazione venisse effettuata deliberatamente, per avvantaggiare il prodotto di una certa Azienda, voi come lo potreste mai scoprire..???

Nel prossimo post vedremo cosa ne pensano i massimi esperti internazionali (o interplanetari...?).

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Re: TND: dove sta l'errore...

#6 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 12:57

Incominciamo con il leggere il parere dell'Autore di questa misura: Fabrizio Montanucci.

TND_AR269_4.jpg
TND_AR269_4.jpg (217.07 KiB) Visto 6426 volte


Ebbene, dalla metà del 2006 sono passati sette anni e mezzo...

Qualcuno di voi ricorda per caso una recensione in cui si sia scritto: "Il diffusore XY -due vie- è una vera schifezza" e quella in cui un tre-quattro vie (come le Utopia) sia uscito a testa alta da questa misura, o comunque sia stato aprezzato per i suoi risultati palesemente superiori...???

No... notte fonda... e tutti i gatti son bigi...!!!

Questa è la morale, tipicamente italiana, della favoletta: vi abbiamo presentato una nuova tecnica di misura, che doveva rivelarsi assai discriminante e che -invece- è finita per sdoganare assolutamente di tutto...

Ora attenzione: nei grafici che avete visto pubblicati sinora ci sono valori di distorsione di TND che arrivano anche al 20 per cento... (e dovrebbe essere abbastanza per depennare il diffusore in prova dalla lista di quelli Hi-Fi, visto che i livelli di prova sono comunque riferiti ad un metro e ad uno spettro comunque più benigno di quello di un qualsiasi brano musicale).

Nei prossimi post scoprirete che i VERI valori di distorsione sono assai più elevati...

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#7 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 14:25

Sempre nel 2006, uno dei massimi esperti in materia di misure audio, vale a dire Steve Temme, metteva a punto insieme a Pascal Brunet una tecnica di misura che -come la TND- impiegava un segnale-test ad ampio spettro.
Era basata sull'analisi FFT bicanale della NON-coerenza tra il segnale di prova e quello emesso dal diffusore, per cui è denominata NCD (non-coherence-distortion). Molte delle deduzioni contenute nell'articolo originale di Temme e Brunet sono applicabili pari-pari alla TND, ma procediamo con ordine.

TND_Temme_1.jpg
TND_Temme_1.jpg (137.09 KiB) Visto 6425 volte


Nel grafico qui appena sopra osserviamo che l'andamento della NCD (come per la TND) è assai graduale, rispetto al crescere del livello di pilotaggio del diffusore, ma i valori sono notevolmente inferiori rispetto a quelli della normale Distorsione Armonica (THD sta per Total Harmonic Distortion). Quindi i valori dei due tipi di distorsione sembrano non paragonabili.

Questo accade nel caso si misurino diffusori, che hanno un comportamento relativamente graduale, in saturazione.
La differenza cresce addirittura quando si misurano gli ampli, che clippano bruscamente (quasi sempre), vedi qui sotto.

TND_Temme_2.jpg
TND_Temme_2.jpg (105.31 KiB) Visto 6425 volte


Attenzione a questo secondo grafico... perché la misura con il segnale a banda larga appare davvero molto più benigna, a parità di apparecchio misurato. Nel prossimo post troverete la spiegazione, che ho in parte già accennato.

Una piccola riflessione: il comportamento graduale dei diffusori rispetto alla distorsione lo è assai meno, nella pratica, quando si parla di basse e bassissime frequenze. In questi casi, infatti, il raggiungimento del limite di escursione determina l'insorgere brusco di distorsioni anche di altissimo livello... perfettamente riconoscibili all'ascolto. Dunque una misura con segnale a banda larga non fa che confondere l'osservatore del risultato, facendogli erroneamente ritenere che la prestazione del diffusore in prova sia accettabile, quando non lo è assolutamente.

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Re: TND: dove sta l'errore...

#8 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 14:38

La spiegazione di Temme alla constatazione che un segnale-test a banda larga (o un multitono) sia poco discriminante, in termini di distorsione, è contenuta in questo grafico, che mostra la ben diversa distribuzione statistica dei livelli nei due tipi di segnale: quelli sinusoidali e quelli a banda larga.

TND_Temme_3.jpg
TND_Temme_3.jpg (164.04 KiB) Visto 6424 volte


Come potete vedere, la sinusoide (curva in chiaro) ha due picchi di energia (collocati in corrispondenza dei valori massimi, uno positivo ed uno negativo) e pochissima energia ai valori compresi tra questi.

Al contrario, i segnali multitono o a banda larga contengono più energia ai livelli vicino allo zero (dove la distorsione è minima) e la loro energia decresce molto gradualmente verso i valori estremi...

Dunque il diffusore misurato con la NCD o con la TND sarà sollecitato per la maggior parte del tempo con valori di potenza ridicoli, ai quali è normalissimo che la distorsione sia minima...

Lo stesso Montanucci conferma -su AR n.268- che il suo segnale-test ha un fattore di cresta prossimo a 10 dB !!!
(9,82 dB,per la precisione...)

TND_AR268_1b.jpg
TND_AR268_1b.jpg (263.3 KiB) Visto 6424 volte


Quindi stiamo parlando di una misura di distorsione i cui valori andrebbero letteralmente moltiplicati, per poterli confrontare con quelli di una normale misura di THD (Total Harmonic Distortion).

Ma i problemi non finiscono qui.

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#9 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 14:43

Con il suo consueto rigore, Steve Temme ammette la dipendenza dalla frequenza dei risultati della distorsione misurata con segnali a banda larga, come il Rumore Rosa.

TND_Temme_3b.jpg
TND_Temme_3b.jpg (107.86 KiB) Visto 6423 volte

Ma seguiamo il suo interessante ragionamento, quando confronta i livelli di distorsione misurati con un segnale di pari ampiezza media, con tre tecniche di misura diverse:

TND_Temme_4.jpg
TND_Temme_4.jpg (172.5 KiB) Visto 6422 volte


La curva più chiara mostra i risultati conseguiti mediante la tradizionale misura della Distorsione Armonica.
Notate in particolare quanto alta essa sia alle frequenze sotto 100 Hz...
E come alle altissime sia inevitabile interromperla, quando le armoniche superano la massima frequenza udibile.

La seconda curva, quella più in alto, mostra i risultati della distorsione per Differenza di Frequenza, che non è facile rilevare alle basse, per via della spaziatura tra le due frequenze.

La curva più in basso è quella dei livelli di distorsione misurati con segnale a banda larga, con la NCD (o la TND): come potete vedere, i valori sono decisamente inferiori, rispetto a quelli rilevati con le altre due tecniche.

Questi i commenti di Temme:

TND_Temme_4b.jpg
TND_Temme_4b.jpg (173.9 KiB) Visto 6422 volte

Però la normalizzazione rispetto alla frequenza è possibile... ed i risultati li vedrete nel prossimo post...!

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Re: TND: dove sta l'errore...

#10 Messaggio da F.Calabrese » lunedì 17 febbraio 2014, 15:04

Normalizzando i risultati le due tecniche tradizionali di misura della distorsione (armonica e per differenza di frequenza) danno finalmente gli stessi valori e lo stesso andamento... Mentre la distorsione rilevata con il segnale a banda larga è inequivocabilmente minore...

TND_Temme_5.jpg
TND_Temme_5.jpg (206.67 KiB) Visto 6420 volte


A questo punto vale la pena di tirare le prime conclusioni.

La tecnica tradizionale della misura della Distorsione Armonica si rivela vincente per diversi motivi:
1)- L'ampiezza del segnale è nota e l'energia è concentrata su due livelli... per cui si sa a quale livello si prova...
2)- L'andamento rispetto alla frequenza è congruo con il contesto fisico, con il prevedibile aumento alle basse frequenze.
A questi due vantaggi se ne aggiunge uno fondamentale:
3)- La Distorsione Armonica è misurabile anche in ambienti relativamente rumorosi, senza che il risultato sia compromesso, specie se si lavora con analizzatori di Time Delay Spectrometry (che filtrano le singole armoniche dal rumore ambiente).

Quindi basterebbe automatizzare questa misura, ripetendola a diversi livelli (p.es. ad 1-2-4 Watt), per poi ricavare il tasso di crescita della distorsione in funzione del livello, che è l'informazione più preziosa in materia di distorsione.


La tecnica di misura per Differenza di Frequenza non presenta vantaggi in gamma media ed alta, mentre può essere impraticabile in gamma bassa...

Infine arriviamo alla famigerata TND: "Ma a chi serve, ed a che cosa...???"

Lascio a voi la prima risposta, riservandomi di farvi divertire davvero quando leggerete quanto fosse semplice evitare gli errori connessi con la sua macchinosa e fuorviante procedura...

Cordialissimi Saluti
Fabrizio Calabrese

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