Tutto sui livelli sonori e di segnale

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F.Calabrese
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Tutto sui livelli sonori e di segnale

#1 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 0:57

Questo è una specie di Tutorial sui livelli sonori e di segnale: impiegherò molte immagini e poche parole... dunque fate attenzione.

Partiamo con un brano musicale, per l'occasione una cosa semplice... vale a dire una registrazione di colpi di grancassa dal CD test di Alan Parsons.

Questa qui sotto è la forma d'onda dei diversi colpi, privi di riverbero in quanto registrati in studio e con microfoni vicinissimi.

Immagine

Come potete vedere i picchi raggiungono il valore massimo registrabile digitalmente, che appunto si chiama "Zero Digitale".

Segue
F.C.

F.Calabrese
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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#2 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 1:12

Ora proviamo ad ingrandire uno dei transienti, avendo l'accortezza di scartare un canale e copiare l'altro invertito... in modo di disporre di due segnali mono ma invertiti di fase. La cosa si vede bene osservando l'immagine qui sotto:

Immagine

Ora fate attenzione a due cose.

La prima è meno importante: il nostro segnale è clippato (ahi... ahi... Alan Parsons...!) ed infatti si vede bene un picco segato in coincidenza appunto del valore massimo registrabile: lo "zero digitale".

La seconda cosa da notare è la durata del transiente: appena 25 millisecondi (cioé un quarantesimo di secondo) per le oscillazioni più ampie.

Ora pensateci bene... SE IL VU METER DEL VOSTRO AMPLI RISPONDESSE CON EGUALE VELOCITA', IL VOSTRO OCCHIO NON RIUSCIREBBE MAI A SEGUIRNE L'INDICAZIONE... vale a dire che il transiente non riuscireste a misurarlo... sia che lo strumento utilizzi una lancetta, sia un display numerico e persino una barra di led. In ogni caso il vostro occhio non riuscirebbe a percepire l'ultimo led acceso, a meno che questo non rimanesse acceso anche per un certo tempo DOPO il transiente... E parimenti occorrerebbe rallentare la discesa della lancetta o mantenere visibile il numero sul display quanto basti all'occhio per leggerlo. Ma in questi ultimi casi noi leggeremmo solo IL VALORE DI PICCO, appunto perché lo strumento continuerebbe a segnare il valore del picco anche DOPO che questo è terminato.

IL VALORE DI PICCO E' IMPORTANTISSIMO: è il valore che ci dice se la nostra registrazione è "a fondo corsa" e -quando lo misuriamo con un fonometro- è il valore che risulta aggiungendo -ai deciBel di sensibilità del diffusore- il valore della potenza dell'ampli (espresso anch'esso in dB) (*)

Ma attenzione... Non sono solo i nostri occhi a reagire con un tempo minimo al di sotto del quale l'immagine sfuma...!

Anche l'udito ha bisogno di un certo tempo -tipicamente una frazione di secondo- per percepire ragionevolmente il livello di un suono !!!

Quindi, perché il nostro strumento di misura legga un valore che correli con il nostro livello di sensazione, occorreranno delle COSTANTI DI TEMPO, che permettono anche di rallentare il ritmo dei valori sul display fino a renderlo compatibile con la capacità percettive dei nostri occhi.

Come questo si realizzi è spiegato nel prossimo post.
F.C.

(*): Va sottratto il decadimento causato dalla distanza tra i trasduttori ed il microfono di misura.

F.Calabrese
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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#3 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 1:36

Come avrete osservato nel secondo post, le forme d'onda dei segnali musicali hanno picchi positivi e negativi: sono forme d'onda alternate.

Ne consegue che il loro VALORE MEDIO tenderebbe a zero, se fosse misurato direttamente.

Occorre dunque rigirare tutti i picchi in una stessa direzione... vale a dire RADDRIZZARE il segnale, come vedete qui sotto.

Immagine

Se osservate con attenzione potrete capire il perché dei due segnali identici ma in controfase, sui due canali... Un semplice raddrizzamento eliminerebbe tutti i picchi negativi, che sono però importanti quanto i positivi e contengono energia quanto quelli: ne deriverebbe una misura erronea...

Diversamente, se invertiamo un canale prima di raddrizzarlo, e poi sommiamo i due canali, otterremo una forma d'onda tutta positiva, ma completa per tutto lo scorrere del tempo. La vedete qui sotto:

Immagine

Ancora una volta abbiamo oscillazioni velocissime... che però vedrete si possono "spianare" mediando in vari modi.
Ne parliamo nel prossimo post, però...

Segue
F.C.

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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#4 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 1:39

A questo punto prendiamo due colpi di grancassa temporalmente ravvicinati (vedrete poi il perché) e raddrizziamoli: li vediamo qui sotto.

Immagine

Fateci caso: il loro valore massimo raggiunge lo "zero digitale". Sono anche troppo veloci per il nostro occhio ed anche l'udito li percepisce come di livello assai più basso di quello che avrebbe una nota di organo della stessa ampiezza di Picco.

A questo punto non ci resta che "spianarli" con un FILTRO PASSA-BASSO... la cui COSTANTE DI TEMPO sarà tanto più lunga quanto più bassa sarà la frequenza di taglio prescelta...

Segue nel prossimo post
F.C.

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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#5 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:03

Incominciamo a spianare i nostri transienti (raddrizzati) con una COSTANTE DI TEMPO FAST, vale a dire della durata di un ottavo di secondo.

Immagine

Ora fate bene attenzione alla scala a destra: il LIVELLO MASSIMO E' SCESO di ben 10 deciBel...!!!

A questo punto proviamo una COSTANTE DI TEMPO SLOW, vale a dire della durata di UN SECONDO. Questa costante rappresenta molto bene il livello percepito come medio dal nostro udito.

Immagine

Interessante davvero... il nostro picco si è ora abbassato a ben 24 deciBel al di sotto dello "zero digitale"

Non solo... ma, se osservate attentamente, vedrete che il livello del secondo transiente "sale" letteralmente sulla coda del transiente che precede...

Abbiamo appena capito il concetto di "INTEGRAZIONE", vale a dire il meccanismo mediante il quale una costante di tempo tiene conto non solo del valore istantaneo del segnale, ma anche del livello del segnale che lo precede di poco, temporalmente. Esattamente come fa il nostro udito.

Prima di prenderci una piccola pausa di riflessione, ricordiamoci che i fonometri più moderni permettono di integrare i livelli in modo ancora più preciso, operando ad intervalli di tempo, per esempio di un secondo. Nelle misure di livello medio effettuate con i fonometri si impiega quasi sempre anche una rete di filtro che attenua le basse frequenze (e le altissime), simulando la risposta dell'orecchio ai bassi livelli d'ascolto: la curva che ne risulta si chiama "ponderazione A".

Dunque nelle misure effettuate con un fonometro potremo osservare due curve che mostrano (p.es.) i livelli a passi di un secondo. La curva in alto sarà quella dei Livelli di Picco senza alcuna ponderazione e senza costanti di tempo. L'altra curva, più in basso, mostrerà -p.es.- il Livello Energetico Medio rilevato sempre a passi di un secondo, questa volta introducendo la ponderazione "A" proprio per correlare meglio con la sensazione all'ascolto, (o con il fastidio agli altissimi livelli).

Terrò liberi un numero di post, qui di seguito, appunto per mostrarvi alcuni tracciati fonometrici, da commentare insieme...

Saluti
F.C.

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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#6 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:07

RAVEL: Bolero... Si tratta di una esecuzione dal vivo (non un CD !) rilevata in una sala piuttosto "fiacca", cioé la Sala Santa Cecilia, a Roma.

In alto (in verde) potete vedere i livelli di picco; in basso (in blu) i livelli medi ponderati "A".

Notate la progressione: si passa dai 40 dB"A" dei "pianissimo" ad oltre 90 dB"A" nel finale... in cui i livelli di Picco arrivano però ad appena 107 dB (siamo a 38 metri dal podio del Direttore)

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Il secondo grafico mostra il risultato dell'analisi statistica dei campioni di Livello Equivalente (=medio) ponderato "A": in un brano come questo sono eccezionalmente presenti anche tutti i livelli intermedi, tra i pianissimo ed il pieno finale. Si tratta di una rara eccezione; negli altri brani vedrete che i livelli medi si concentrano su alcuni valori.

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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#7 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:07

HAENDEL: Messiah; I tempo. Sala Santa Cecilia, Galleria 1 fila 4.

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La piccola orchestra (30 elementi più altrettanti per il coro) è chiaramente insufficiente in una sala da 2600 posti: per questo anche i passaggi più forti non eccedono 80 dB"A" di livello medio.

L'analisi statistica dimostra che il fraseggio musicale si svolge tutto intorno ad un valore medio di 63 dB"A", che ritroveremo spesso, anche quando suonano orchestre il cui organico è doppio o triplo.

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#8 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:08

Halleluiah dal Messiah di Haendel; ancora Sala Santa Cecilia (Galleria 1).

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L'Halleluiah è il culmine dinamico della composizione di Haendel e sia l'orchestra che il coro ce la mettono tutta, spremendo pochi deciBel in più rispetto a quanto abbiamo visto nel post che precede...

Decisamente Haendel componeva per auditori piccolissimi, rispetto alle sale di oggi...

Segue
F.C.

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#9 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:09

MAHLER, I Sinfonia, finale. Sala Santa Cecilia; Galleria G1 (38 metri dal podio del Direttore)

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Qui siamo dinanzi ad una partitura "chiassosa" eseguita da una grande orchestra, in una grande sala.

I picchi (111 dB) sono prodotti dalle sole percussioni basse (Cassa e Timpani), senza le quali non si superano i 105-107 dB...

Fate bene attenzione al secondo grafico, che mostra il risultato dell'analisi statistica dei valori medi rilevati ogni secondo... e noterete DUE popolazioni statistiche ben separate tra loro. Quella centrata su 60 dB"A" è ascrivibile al normale fraseggio musicale della partitura, mentre la popolazione statistica centrata su 85 dB"A" rappresenta i livelli dei Pieni orchestrali.

I 90 dB"A" vengono ecceduti per appena l'un per cento del tempo !!!

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F.C.

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Re: Tutto sui livelli sonori e di segnale

#10 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 12 aprile 2017, 2:09

MAHLER, I Sinfonia, finale. Sala Santa Cecilia: Galleria G7 (14 metri dal podio del Direttore, al lato)

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Fate bene attenzione a questo post, dove potete vedere i valori rilevati per lo stesso brano di cui al post precedente MA QUESTA VOLTA AD UN TERZO DELLA DISTANZA dall'orchestra.

Come prevede la teoria, una volta superata la "distanza critica" (*) il livello sonoro resta omogeneo anche a distanza, sebbene sia dovuto in gran parte al contribuo delle riflessioni e del riverbero. Infatti tra 14 e 38 metri dal podio ci sono appena un paio di deciBel di differenza !!!


Saluti
F.C.

(*): Distanza alla quale il livello dell'emissione diretta dell'orchestra è eguale al livello del campo riverberato. In sale come queste è dell'ordine di 5-7 metri.

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