Thread difficile, ma fondamentale

Una selezione ragionata
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F.Calabrese
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Thread difficile, ma fondamentale

#1 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 1:11

Sono finalmente riuscito a ritagliarmi il tempo (e la concentrazione) per mettere a punto i grafici e le tabelle necessarie per farvi capire i VERI criteri di dimensionamento di un diffusore. :D

Sono criteri validi anche per dimensionare gli ampli di un sistema multiamplificato. :o

L'argomento è veramente difficile, ma secondo me vale la pena di provare ad affrontarlo insieme e vedere se riusciamo, per la prima volta a provare -matematicamente- che una Klipschorn ed una Rogers LS3/5a sono "diverse" :lol: :lol: :lol:

Scherzi a parte, vi sto proponendo di avventurarvi in un aspetto della progettazione dei diffusori che è comune alla progettazione dei grandi impianti da concerto, che è la mia grande passione ed è stato il mio secondo lavoro (dopo gli articoli per Stereoplay). :roll:

La novità è che oggi -2011- potete tutti replicare comodamente, in casa vostra e con un normale PC, tutta la complessa sequenza di ragionamenti e calcoli necessaria per arrivare ad un risultato che ha incredibili implicazioni sull'ascolto.

Il punto di partenza per i nostri calcoli sarà la scelta di tre diversi brani musicali, che impiegheremo come esempio:

1)- Il primo brano musicale sarà il classico brano "analogico", poco o per nulla compresso: Another Brick in the Wall, dei Pink Floyd, di cui sceglieremo un segmento di tre minuti dalla Track n.5, quella con il coro dei bambini...

2)- Il secondo brano sarà moderno e relativamente compresso (ma non troppo, poi vi spiego...) e conterrà basse frequenze a livelli altissimi. Yulunga, dei Dead Can Dance, è un brano semplicemente perfetto... (di cui analizzaremo i tre minuti finali, in cui le percussioni basse sono sempre presenti.)

3)- Come terzo brano, da utilizzare per confronto, sceglierenmo qualcosa che suona bene anche a basso livello: conosciamo tutti la Canzone di Marinella cantata da Mina e dé André, e per questo la sceglieremo volentieri... ed analizzaremo la parte centrale, quella a livello più sostenuto (tre minuti anche qui...).

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F.C.

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Re: Thread difficile, ma fondamentale

#2 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 1:34

Il procedimento logico è questo:

a)- Si seleziona il brano ed il segmento da analizzare e lo si importa dal CD con un software di editing (ed analisi) come Cool Edit Pro o Adobe Audition. Questi software permettono di analizzare quale sia il livello di picco e quale il livello energetico medio (RMS, per blochi di 125 millisecondi, nel nostro caso).

b)- Cool Edit Pro ed Adobe Audition permettono anche di filtrare numericamente i Files, disponendo di tutte le tipiche funzioni di trasferimento (Butterworth, Bessel, ecc.) per filtri dal primo ad oltre il ventesimo ordine. Per le nostre prove sarà sufficiente un filtraggio del dodicesimo ordine (alla Butterworth): così avremo bande ben definite (anche troppo!).

c)- Una volta filtrato per ogni banda, il nostro File potrà essere nuovamente analizzato statisticamente, ricavando di nuovo il valore di picco e quello RMS per ciascuna delle bande esaminate... (fate attenzione a scartare i primissimi e gli ultimi campioni, per evitare artefatti da troncatura...).

d)- Per fornire un esempio dirattamente trasferibile in pratica e non troppo complesso da interpretare, io ho deciso di dividere lo spettro in due ottave basse (da 22,5 a 45 Hz e da 45 a 90 Hz), e poi di simulare due sistemi di diffusori a due vie, di cui uno (Pro) tagliato a 720 Hz e l'altro (domestico) tagliato a 1400 Hz. Capirete bene che un'analisi complessa di un sistema a 4 vie avrebbe reso complicatissima e lunghissima la spiegazione. Una volta capito, potrete fare voi stessi tutti i calcoli necessari, per le vostre configurazioni preferite.

e)- Attenzione... Sinora abbiamo parlato di livelli relativi, con poca o nessuna relazione con gli effettivi livelli di pressione sonora in deciBel, dai quali ultimi soltanto (essendo nota la distanza di ascolto ed il rendimento dei diffusori) si può dedurre la potenza di amplificazione necessaria. Quindi dovremo introdurre nel nostro foglio di calcolo questi tre dati fondamentali: il livello di ascolto, il rendimento dei diffusori e la loro distanza dall'ascoltatore (*).

f)- Una difficoltà da non poco è quella di introdurre i livelli di ascolto giusti... infatti la presenza di incisioni più o meno compresse impedisce logicamente di impiegare il livello di picco come indicatore...
Non resta che impiegare il livello medio ponderato "A", che è un indicatore assai fedele del livello di "fastidio" agli alti livelli d'ascolto. Per far questo dovemo processare il File attraverso un filtro che simuli la curva "A" e poi calcolare il livello medio.
La scelta di quest'ultima procedura è di fondamentale importanza per conferire precisione e ripetibilità ai dati raccolti, perchè una media non ponderata farebbe risultare più elevato il livello di un brano ricco di basse frequenze, che invece all'ascolto risulterebbe meno aggressivo e spingerebbe ad alzare il volume, per conseguire lo stesso livello di sensazione raggiunto da un brano con un equilibrio spettrale spostato più verso le alte (un vecchio trucco degli anni '70...).

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F.C.

(*): Così facendo ipotizzaremo che l'ambiente NON contribuisca al livello sonoro, il che è vero solo per i transienti brevi.
Osservando le forme d'onda, però, ci accorgeremo che sono proprio i transienti brevi ad esigere le maggiori potenze di amplificazione... dunque non stiamo affatto sbagliando...!

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Re: Thread difficile, ma fondamentale

#3 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 1:46

Lo so che il ragionamento non è semplice a descriversi, ma -se seguirete bene i tre esempi- sono convinto che ci capiremo.

Inziamo con Another Brick in the Wall, dei Pink Floyd, track 5 dell'album doppio non live.

Immagine

Dalla forma d'onda si capisce subito che si tratta di una splendida incisione analogica, pochissimo compressa.

Infatti i picchi non salgono oltre -1,5 dB rispetto allo "zero digitale", il livello medio è 19 dB sotto lo zero ed il livello medio ponderato "A" è ancor più basso: -25 dB, vale a dire 25 dB sotto lo "zero digitale", che è il massimo livello campionabile e registrabile digitalmente (il nostro vero riferimento...).

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Re: Thread difficile, ma fondamentale

#4 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 1:53

Ecco lo spettro del segmento analizzato di di Another Brick in the Wall. Non è il solito spettro in terzi di ottava, ma la media di tante FFT da 64K campioni, in cui il livello è per bande di 1 Hz...

Immagine

Notate il tipico taglio sotto i 45 Hz, causato (anche) dalla curvatura delle testine dei registratori multipista (tranne l'Ampex).

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Re: Thread difficile, ma fondamentale

#5 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 1:58

Scommetto che sarete curiosi di sapere "quanto lavorano i subwoofers" in questo brano musicale...

Beh... molto meno di quanto immaginiate: ecco infatti la forma d'onda filtrata tra 22,5 e 45 Hz...

Immagine

Sono molti stretti picchi, uno dopo l'altro, il cui livello medio è di appena -35 dB rispetto allo zero digitale, mentre i picchi non salgono oltre il livello di -18 (notate la scala alla destra del grefico...!!!)

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Re: Thread difficile, ma fondamentale

#6 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 2:00

E finalmente siamo alle prime conclusioni...!

Osservate con attenzione questa tabella:

Immagine

Alla sinistra potete vedere i dati di partenza: abbiamo scelto un livello d'ascolto di 95 dB"A" Leq. (alto, ma non fastidioso, se l'impianto non distorce... Con questo brano si può arrivare a 102-105 dB"A" di livello medio senza problemi.

Abbiamo scelto una coppia di diffusori da 100 dB/1W/1m, ascoltati a poco più di tre metri di distanza.

Lo "zero dB" del cd corrisponde a 120 deciBel... un valore assolutamente tipico, per l'ascolto di brani di questo tipo.

La parte destra del grafico contiene i valori di potenza RMS e di picco per ciascuna via e per le due ottave più basse.

I commenti al prossimo post
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#7 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 2:20

Immagine

Come potete dedurre leggendo i valori di potenza media (RMS) sulla penultima riga a destra, si tratta di valori minimi, nonostante l'elevato livello d'ascolto... Certo che se i diffusori fossero da 87 dB/1W/1m dovreste moltiplicarli tutti di ben venti volte, per cui l'ipotetico woofer da 13/17/20 cm, tagliato a 90 e 1400 Hz dovrebbe dissipare 140 Watt continui, ed il suo malcapitato tweeter dovrebbe smaltire 20 Watt, una potenza alla quale vanno a fuoco il 99 per cento dei tweeters dome. Impietosa l'analisi dei livelli di picco: nessun diffusore domestico poco efficiente li sopporterebbe (moltiplicate per 20 e dividete per due diffusori !)...

Ma sono i valori di picco a creare non pochi problemi: anche con diffusori da 100 dB/1W/1m occorrono 350 Watt di picco per i bassi Pro ed oltre 500 Watt per i bassi del diffusore domestico (che ipotizziamo tagliato in basso a 90 Hz...!!!).
Questo spiega il perché l'accoppiata "ampli potenti + diffusori efficienti" mantenga un ampio numero di estimatori... potenze inferiori comporterebbero dei brevi istanti di clipping, indubbiamente percettibili per un orecchio allenato.

Sono rimasti da esaminare i bassi profondi... Nessun problema con diffusori così efficienti... ma se scendiamo a 90 dB/1W/1m si arriva a varcare alla grande la soglia dell'escursione massima... Non dimenticate di confrontare i dati per queste due ottave con i livelli di MIL pubblicati da AR... Quanti diffusori reggono un centinaio di watt da 45 a 90 Hz ???

Se ci pensate, abbiamo dedotto con certezza matematica, che solo i diffusori PRO con 100 dB/1W/1m ed oltre di rendimento possono riprodurre per intero la dinamica di questa incisione, ad un livello d'ascolto elevato ma non fatidioso.

Attimo di pausa...
Saluti
F.C.

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#8 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 2:28

Questa modalità di calcolo è utile per capire quale sia l'importanza del corretto livello d'ascolto.

Se infatti osservate lo spettro della Canzone di Marinella, cantata da Mina e da dé André, troverete che ci sono anche i 20 Hz...

Immagine

Ma questo è un brano che va ascoltato piano...!!!

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#9 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 2:32

Che la Canzone di Marinella sia un brano "facile" per le bassissime, lo conferma la forma d'onda dell'ottava tra 22,5 e 45 Hz.

SI vedono solo brevissimi picchi (a -8 dB al max) , su un livello medio 32 dB inferiore allo zero digitale.

Immagine

Al normale livello d'ascolto di 75 dB"A" medi, lo "zero digitale" corrisponde ad appena 98 deciBel.

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#10 Messaggio da F.Calabrese » mercoledì 4 maggio 2011, 2:37

Ecco la tabella riassuntiva per la Canzone di Marinella:

Immagine

Notate il livello medio d'ascolto di appena 75 dB"A" ed il rendiemento dei diffusori: 90 dB/1W/1m...

Si può ben dire che qualsiasi ampli domestico è all'altezza della situazione.

Con pochi dB in più di rendimento per i diffusori, si possono adottare anche dei monotriodi SE...!

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F.C.

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