Elettroacustica e misure audio

Acustica

Il suono è dovuto a vibrazioni elastiche nell’aria od in altri mezzi, se ne ha la prova toccando la gola quando si parla; la velocità e di 330 metri al secondo nell’aria, 1450 nell’acqua e 5130 nel ferro.

L’oscillazioni periodiche danno origine a suoni a suoni di forma sinusoidale con le seguenti caratteristiche:

altezza o la frequenza dell’onda

l’intensità o l’ampiezza del segnale

timbro od il numero delle armoniche oltre la fondamentale.

Elettroacustica

Il suono per essere utilizzato dalle apparecchiature elettroniche deve essere trasformato da energia sonora, ad energia elettrica: il trasduttore utilizzato è il microfono. Il segnale elettrico, denominato di audiofrequenza o segnale audio, deve avere l’ampiezza adeguata alle varie necessità e contenere tutte le informazioni che caratterizzano il segnale acustico originale.

A seconda delle attività, il segnale audio è utilizzato per magnetizzare un nastro (dat, registratore, ecc.), per incidere un disco (CD, minidisco, disco tradizionale), o per produrre programmi televisivi o radiofonici. Le frequenze interessate vanno dai 16 periodi o Hz, il Do della sub-contro ottava = 16,35 Hz, a 20000 Hz, Do della sesta ottava = 16744 Hz, che corrisponde ai limiti di udibilità, con segnale continuo per una persona giovane.

Apparati

sorgente: microfoni (in allestimento), registratori ecc.

quadripolo: amplificatori (in allestimento), registratori, apparecchiature audio varie

utilizzatori: altoparlanti (in allestimento)

La tecnica audio

L'unità di misura: il decibel
In elettroacustica, oltre alle normali unità di misura come gli ampere, i volt ed i watt, si usa vantaggiosamente il decibel.
Questa unità, il BEL, è definita come il logaritmo decimale del rapporto tra la potenza W2 e la potenza W1, espresse in Watt.
L'espressione è quindi N = lg W2/W1
Normalmente si utilizza il decibel, dB, un decimo di bel, perché quest'ultimo troppo garnde.
Rammentiamo che il decibel è una unità di misura logaritmica, adatta a rappresentare le leggi della percezione dei suoni secondo la legge di Weber Flechner; inoltre il decibel è utilizzato anche per i segnali elettrici.
Nella tecnica delle telecomunicazioni il guadagno e la perdita di un quadripolo sono espresse in dB; se il rapporto è positivo si ha un guadagno, se negativo una perdita o attenuazione.
Nella tecnica audio i quadripoli funzionano normalmente come amplificatori di tensione, quindi conviene considerare le tensioni di ingresso e di uscita e calcolare il guadagno i dB.
Considerando che W = VI = V2/R dove W sono i Watt, V è la tensione, I la corrente e R la resistenza si ottiene N = 20 lg Vu / Vi + 10 lg Ri / Rc dove Ri è la resistenza d'ingresso e Rc la resistenza del carico, ponendole uguali come normalmente succede, si ottiene
N = 20 lg Vu / Vi dato che il secondo termine dell'espressione si annulla perché il lg di 1 è = 0
Per calcoli mentali rammentiamo che un guadagno di 6 dB è uguale al doppio del rapporto, 20 dB ad un rapporto di 10, 40 dB di 100 e 60 dB di mille.
Esempio in radiofrequenza 1000 dB microvolt significa 1 millivolt dato che il livello di riferimento è un microvolt.
Normalmente in elettroacustica e in radiotelediffusione si riferisce la potenza misurata in rapporto ad una potenza di riferimento, ossia 1 mW, un milli Watt, o livello di potenza.
La potenza di riferimento di 1 mW corrisponde il livello zero di potenza ossia 0 dB = 1mW.
Tenendo presente che nel campo dell'elettroacustica l'impedenza normalizzata è 600 Ohm, alla potenza di 1 mW corrisponde una tensione di 0,775 Volt
V è uguale alla radice quadrata di W fratto R ossia la radice quadrata di 0,6 appunto 0,775 Volt.

Il quadripolo
Il quadripolo consiste in una rete o circuito elettrico, più o meno complessa, con due terminali di ingresso e due di uscita.
Esso può essere passivo, costituito da elementi resistivi ed attivo, l'amplificatore.

Classificazione degli amplificatori
Secondo la selettività: aperiodici a banda larga o limitata e selettivi
Secondo il campo di applicazione: radiofrequenza e banda base videofrequenza e audiofrequenza.
Secondo il modo di funzionamento: classe A, classe A/B, classe B, classe C, classe D
Amplificatori di tensione: utilizzati per elevare il livello della tensione applicata all'ingresso, per esempio l'uscita microfonica.
Amplificatori di potenza: utilizzati quando l'impedenza di carico applicata ai terminali dell'amplficatore assorbe delle correnti relativamente elevate, per esempio un carico come l'altoparlante

Traslatore
Un traslatore o trasformatore ad audiofrequenza è un quadripolo con i due terminali d'ingresso e di uscita isolati fra loro, costituito da due avvolgimenti primario e secondario, montati su un nucleo di materiale magnetico. Si utilizza normalmente per adattare due circuiti con resistenze diverse, vedi il trasformatore di uscita dell'amplificatore con l'altoparlante.
Il rapporto fra le tensioni ed il numero di spire è V2/V1 = N2/N1
Dove N2 è il numero di spire inerente alla tensione V2 e N1 inerente alla tensione V1.
Caratteristica di trasferimento di un amplificatore ideale
La caratteristica di trasferimento, tensione di uscita Vu in rapporto alla tensione di ingresso Vi, di un amplificatore ideale è perfettamente lineare, rettilinea.
In questo caso l'amplificatore non introduce distorsione ed il segnale di uscita è una replica esatta del segnale di ingresso.
Massimo trasferimento di potenza
Si dimostra che si ottiene il massimo trasferimento di potenza nella resistenza di carico quando questo è uguale alla resistenza interna del generatore.
Come si è detto precedentemente nelle note video, ogni generatore ha una propria resistenza interna tipica che per l'audiofrequenza è normalmente 660 Oh, per la radiofrequenza 50 Ohm, per la Tv 75 Ohm.
Le distorsioni non lineari
La causa delle distorsioni non lineari dipende dalla mancanza di linearità dell'amplificatore, dovuta alla curva di trasferimento a esse. In questa situazione l'amplificatore può essere facilmente sovraccaricato e portato a lavorare in saturazione, tosando il segnale d'uscita.
Questa distorsione è chiamata anche distorsione armonica, perché i suoi prodotti sono di frequenza multipla (armoniche) del segnale d'ingresso. Rammentiamo che, introducendo all'ingresso di un amplificatore distorcente un segnale perfettamente sinusoidale, avremo all'uscita un'onda con una forma d'onda diversa e precisamente ancora l'onda sinusoidale principale, più altre sinusoidi con frequenze doppie, triple e via discorrendo secondo l'entità della distorsione.
Lo strumento usato per la misura della distorsione armonica è il distorsiometro.
Questo strumento è costituito da un ponte di Wien, nel quale l'equilibrio viene eseguito sulla frequenza principale e non sulle armoniche; la misura della loro entità da il valore della distorsione.
La distorsione d'intermodulazione
Se il segnale d'ingresso è composto da due segnali sinusoidali di frequenza diversa, all'uscita dell'amplificatore sono presenti, oltre alle armoniche di entrambi le frequenze, (vedi il caso precedente) anche dei segnali di frequenza uguale alla somma ed alla differenza delle loro armoniche.
Le distorsioni lineari
La distorsione lineare è dovuta alla presenza nei circuiti di elementi reattivi, i quali non consentono un'amplificazione costante per tutte le ferqunze.
La risposta ampiezza-frequenza è una caratteristica molto importante in un quadripolo, infatti, la qualità del segnale in uscita del quadripolo dipende principalmente dalla sua capacità di amplificare uniformemente tutte le frequenze componenti il segnale applicato all'ingresso.
La misura è eseguita introducendo all'ingresso un'onda sinusoidale, variandone la frequenza e controllando il valore di uscita.
La larghezza di banda utile è quella esistente nella zona ove il segnale misurato non scende oltre i 3 dB, circa il 70 %.
Distorsione di fase
La causa di questa distorsione dipende anch'essa da elementi reattivi, i quali introducono delle rotazioni di fase tra le componenti spettrali del segnale d'ingresso e quelle di uscita.
Quando la rotazione di fase tra le componenti non è in proporzionale alla frequenza, il quadripolo introduce distorsione di fase.
In questo caso la forma d'onda del segnale in uscita non è una replica esatta del segnale d'ingresso, ma risulta dformata.
Viceversa, il segnale di uscita è una replica esatta del segnale d'ingresso ed è solamente ritardato rispetto a quest'ultimo

Ritardo di gruppo
Il ritardo di gruppo è così chiamato perché rappresenta il ritardo del piccolo gruppo di frequenze, nell'intervallo considerato, ad attraversare il quadripolo.

Il rumore
Il rumore caotico, comunemente chiamato soffio, o effetto neve in TV, è dovuto principalmente all'agitazione termica delle cariche elettriche presenti nei vari elementi, attivi e passivi, che compongono il quadripolo. Il suo spettro è continuo ed interessa un'ampia gamma di frequenze; inoltre la sua potenza è proporzionale alla temperatura.
Se la sua distribuzione è uniforme nella banda di frequenze di lavoro, il rumore casuale è detto rumore bianco.
Rapporto segnale disturbo
Il rapporto, espresso in decibel, tra il valore efficace della tensione nominale del segnale d'uscita ed il valore efficace della tensione d'uscita prodotta dalle diverse componenti del rumore. Esso viene comunemente chiamato rapporto S/N dove N sta per noise.

Diafonia e separazione
La diafonia è una forma di interferenza provocata dal trasferimento di un segnale, transitante in un canale, nei canali adiacenti. Normalmente è dovuta ad accoppiamenti induttivi e capacitivi che si creano trai circuiti o all'interno dei trasduttori utilizzati nei suddetti apparati.
Essa si misura in dB.

Dinamica
Intermini acustici, la dinamica di un evento sonoro è definita come l'escursione, compresa tra un livello massimo ed un livello minimo, entro cui è contenuta la variazione dell'entità acustica dell'evento stesso.
Adattamento di impedenza
Quando due quadripoli devono essere collegati in casata, se le rispettive impedenze nominali di carico e di ingresso non sono compatibili, possono essere interfacciati adattando le suddette impedenze mediante un opportuno traslatore.

Misure (in allestimento)

Le misure consistono nel controllo del guadagno, attenuazione, perdita, e degradazione del segnale audio nel passaggio attraverso gli apparati.