Ministero dell'istruzione, dell'università e della ricerca
CONSERVATORIO DI MUSICA
ALTA FORMAZIONE ARTISTICA E MUSICALE
“Cesare Pollini” - Padova
Tesi di diploma accademico di 1° livello in
TECNICO DI SALA DI REGISTRAZIONE
STUDI SULLA LUNGHEZZA DELLA
LINEA DI TRASMISSIONE PER
SEGNALI MICROFONICI E DI POTENZA
RELATORE
Ing. Matteo Costa
Candidato
Cogo Andrea
Matricola: 00120
Anno accademico 2011 - 2012
INDICE
INTRODUZIONE .......................................................................................................... 5
Il segnale elettrico............................................................................................................. 6
Circuito in corrente continua ed in corrente alternata .................................................. 7
Analisi del modello linea di trasmissione ......................................................................... 8
Effetto pelle ................................................................................................................ 10
Linea di lunghezza finita chiusa su un carico generico .............................................. 20
Onde stazionarie ......................................................................................................... 21
Studio del sistema linea e diagrammi di Bode ........................................................... 23
MISURE SPERIMENTALI......................................................................................... 34
Segnali di potenza........................................................................................................... 34
Misure in auditorium .................................................................................................. 37
Misure con l’impiego di un amplificatore Hafler con diffusore ESB Classic 400 ..... 42
Misure con l’impiego di un amplificatore Hafler con carico resistivo ....................... 45
THD - Total Harmonic Distorsion .................................................................................. 48
Definizione ................................................................................................................. 48
THD sperimentale: amplificatore Hafler con diffusore .............................................. 50
THD sperimentale: amplificatore Hafler con resistenza ............................................ 60
SEGNALI MICROFONICI............................................................................................ 64
Recezione del rumore rosa ......................................................................................... 67
Recezione dell'impulso ............................................................................................... 72
CONCLUSIONI ........................................................................................................... 78
BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA ............................................................................ 80
INTRODUZIONE
Da sempre la produzione musicale è influenzata dal periodo storico a cui appartiene.
Come per i musicisti, che scelgono i loro strumenti in base al risultato che vogliono
ottenere, il risultato finale viene influenzato più o meno consciamente dall'avanguardia
della tecnologia utilizzata.
L'attenzione allora si concentra sulle parti essenziali del sistema di riproduzione del
suono e di acquisizione: strumenti musicali, amplificatori, diffusori, microfoni,
convertitori sono i più curati e criticati nella catena del sistema, tuttavia ci sono molti
altri aspetti importanti ai quali non viene mai data la giusta importanza.
All'interno dei sistemi di riproduzione ed acquisizione audio parti molto importanti
sono i collegamenti tra i vari dispositivi. Nel progettare e dimensionare tali giunzioni
sono stati creati nel tempo diverse soluzioni atte ad attenuare il più possibile le
alterazioni di segnale. Basti pensare che allo scopo di trasmettere segnali sono stati
creati non solo hardware specifici ma anche, con l'avvento del digitale, anche
elaborazioni software per trovare rimedi alternativi. Ecco che i segnali, elettrici e perché
no ottici ed elettromagnetici, vengono trasmessi tramite cavi di varie dimensioni e
materiale. Lo studio proposto vuole mettere in evidenza, più che la differenza tra i
materiali e le tecnologie usate per la trasmissione, le alterazioni che un segnale può
subire variando semplicemente la lunghezza della linea di collegamento tra
amplificatori e diffusori, nel caso dei segnali di potenza,
preamplificatori nel caso dei segnali di piccola entità.
5
tra microfoni e
Il segnale elettrico
Da un punto di vista elementare la materia è composta dall'insieme organizzato delle
particelle elementari. Gli atomi sono un aggregato di cariche elettriche che presentano
elettrizzazione positiva per i protoni, neutra per i neutroni e negativa per gli elettroni.
Per come sono organizzati nello spazio, i protoni e i neutroni si trovano aggregati
formando il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni ruotano attorno ad esso su orbite
circolari o ellittiche (Figura 1).
Figura 1: Struttura atomica dell'atomo.
La quantità degli elettroni e dei protoni presenti sono bilanciati rendendo la molecola
elettricamente neutra nel suo insieme. Nel caso però in cui venga sollecitato
dall'adeguata quantità di energia, uno o alcuni elettroni abbandonano la loro orbita
ordinaria. Con questo fenomeno l'atomo che ha ceduto un elettrone ha una
predominanza di cariche positive, diventando così uno ione positivo, mentre l'atomo che
accoglie l'elettrone ceduto in precedenza si carica negativamente, diventando così uno
ione negativo (Figura 2).
Figura 2: Schema esemplificativo di ioni positivi o negativi.
6
Dati due materiali aventi due potenziali elettrici diversi, se vengono collegati tra loro il
continuo spostamento delle cariche elettriche che ne deriva genera il fenomeno noto
come corrente elettrica (Figura 3).
Figura 3: Rappresentazione del flusso di elettroni.
Circuito in corrente continua ed in corrente alternata
Nel caso in cui questa differenza di potenziale venga mantenuta costante nel tempo
all'interno di un circuito elettrico, come ad esempio nel caso in cui si usi una batteria, la
corrente che circola risulta essere costante nel tempo, ed il suo valore descritto dal
rapporto tra d.d.p. e la resistenza che la linea e l'utilizzatore d'energia oppongono al
passaggio di corrente.
Se sostituiamo il generatore di tensione continua con un altro che modifica il suo valore,
avremo un circuito che modifica i valori di tensione quindi di corrente in funzione del
tempo. Tale situazione corrisponde a quella che abbiamo in un circuito in corrente
alternata come nel campo audio dove, al variare della frequenza del segnale nel tempo,
corrisponde una variazione della tensione e quindi della corrente presenti negli
utilizzatori e lungo la linea che compongono il circuito elettrico.
7
Analisi del modello linea di trasmissione
Una linea elettrica può essere considerata come un doppio bipolo con valori differenti di
tensione e corrente tra terminali a monte, ovvero in ingresso al sistema, e quelli a valle,
in uscita. Per simulare e descrivere le variazioni di tensione e corrente di una linea si
introducono diverse grandezze: Un'impedenza longitudinale, descritta da elementi posti
in serie lungo le linea; un'ammettenza trasversale che mette in relazione la linea con
elementi ad essa vicina come altre linee o materiali che la circondano.
Impedenza longitudinale
Z= R + jωL
Ammettenza trasversale
Y= G + jωC
Il quadripolo può essere così rappresentato (Figura 4):
Figura 4: Rappresentazione del quadripolo.
In cui:
R rappresenta resistenza ohmica del conduttore di linea;
L rappresenta la reattanza dovuta alla f.e.m. di auto induzione che si genera nel circuito
elettrico quando questo viene attraversato da una corrente di valore unitario;
G rappresenta la conduttanza della linea. Tiene conto delle perdite dovute all'isteresi ed
alla conducibilità residua nel mezzo in cui sono immersi i conduttori così come delle
eventuali perdite per radiazione della linea attraverso gli isolatori o mediante una
ionizzazione dell'aria, fenomeno meglio conosciuto come effetto corona;
C rappresenta la suscettanza della linea, dovuta alla capacità del conduttore verso terra o
altri conduttori.
8
Lo studio del modello mette in evidenza che alcuni parametri come la resistenza, sono
indipendenti dal tipo di segnale trasmesso, mentre altri mutano al variare del segnale
che attraversa la linea, mettendo in evidenza l'importanza della frequenza del segnale
trasmesso ed introducendo ω, che rappresenta la frequenza angolare del segnale
trasmesso:
I condensatori e le induttanze sono componenti elettronici che per loro natura
immagazzinano energia elettrica per rilasciarla all'interno del circuito dove sono inseriti
gradualmente. Questo comportamento genera un fenomeno particolare per il quale i
segnali elettrici trasmessi, oltre ad essere più o meno attenuati in funzione della loro
frequenza, vengono anche sfasati rispetto all'origine, ovvero temporalmente ritardati nel
sistema. Avremo che le grandezze in analisi saranno vettoriali, caratterizzate da modulo
e fase. Rapportando il vettore tensione con il vettore corrente si ottiene una grandezza
fisica vettoriale che rappresenta la forza di opposizione di un bipolo al passaggio di una
corrente elettrica variabile, nota come impedenza. Il concetto di impedenza permette di
generalizzare la legge di Ohm estendendola ai circuiti funzionanti in regime sinusoidale,
come nel caso audio. L'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione, indicata
come Zₒ è il rapporto dei moduli della tensione e della corrente che si propagano in una
linea distribuita in una singola direzione, in assenza di carico. Applicando il modello
della linea di trasmissione alle equazioni dei telegrafisti, si ottiene per l'impedenza
caratteristica questa formula:
9
Effetto pelle
Quando un conduttore è percorso da corrente alternata (segnale audio) la densità di
corrente non si distribuisce uniformemente su tutta la sezione del conduttore ma,
all’aumentare della frequenza, tende a concentrarsi vicino alla superficie. In questo
modo la sezione “efficace” del conduttore diminuisce con conseguente aumento della
resistività. E’ come se il conduttore diventasse sempre più cavo all’interno man mano
che aumenta la frequenza. Lo spessore δ, all’interno del quale rimane confinata la
corrente, è detto “Skin detph” (letteralmente “profondità della pelle” o “lunghezza di
penetrazione”) e va confrontato con il raggio del filo del conduttore (Bon , 2013).
In cui:
ρ [Ω/m] rappresenta la resistività (resistenza specifica) del conduttore in funzione della
temperatura.
ω indica la pulsazione = 2π × frequenza
μ [H/m] è la permeabilità magnetica assoluta del materiale conduttore
(per i metalli = 4* π *10^(-7)).
E’ importante ricordare che la resistività elettrica dipende dalla temperatura di utilizzo:
ρ 0 [Ω/m] rappresenta la resistività alla temperatura di 20°C, che corrisponde a T0
α è il coefficiente termico dipendente dal materiale
T è la temperatura di lavoro alla quale si vuole calcolare ρ [Ω/m]
10
La lunghezza di penetrazione diminuisce con inverso della radice della frequenza
(Tabella 1). Se la lunghezza di penetrazione è maggiore del raggio del conduttore non
c’è effetto pelle La tabella che segue riporta lo skin-detpth al crescere della frequenza.
Frequenza (Hz)
Stima dello Skin depth δ = spessore
dello strato conduttore (mm)
50 Hz
9.5
100 Hz
6.715
1000 Hz
2.123
10 kHz
0.671
20 kHz (Banda Audio)
0.475
200 kHz
Frequenza (Hz)
0.3
Stima dello Skin depth δ = spessore
dello strato conduttore (micrometri)
2 MegaHz
47
20 MegaHz
30
200 MHz
9
Tabella 1: Lunghezza di penetrazione in funzione della frequenza (rame). Tanto più il conduttore è grosso
e tanto più bassa è la frequenza alla quale si manifesta l’effetto pelle. Per cavi di diametro superiore a 20
millimetri l’effetto pelle si fa sentire già a 50 Hz.
In banda audio, l’effetto pelle si manifesta quando il raggio del conduttore supera il
mezzo millimetro (raggio = 0.475 mm., diametro = 0.95 mm ). Detto in altro modo i
conduttori a sezione circolare e diametro minore di un millimetro sono esenti
dall’effetto pelle fino all’estremo della banda audio (20kHz). L’impiego del filo Litz in
banda audio non è giustificato: basta usare fasci di conduttori (isolati) di diametro
appena inferiore a un millimetro.
Nella Tabella 2 si riporta l’attenuazione del segnale, causato dall’effetto pelle, valutato
su un carico da 4 Ω collegato con 10 metri di cavo (5 in andata e 5 in ritorno) alla
frequenza di 20 kHz e per diversi diametri del conduttore.
11
E’ vero che l’effetto pelle diventa sempre più importante all’aumentare del diametro del
filo, ma è anche vero che l’attenuazione causata dall’effetto pelle non aumenta perché
compensata dalla diminuzione, in valore assoluto, della resistenza. In altre parole
all’aumentare del diametro del filo la resistività aumenta in percentuale ma rimane
comunque bassa in valore assoluto (che è quello che interessa). Ad esempio per il
diametro massimo di 20 millimetri la resistenza, a causa dell’effetto pelle, aumenta di
10 volte ma il valore assoluto della resistenza rimane di soli 0.610 mΩ/m.
12
Frequenza
Ø del filo (mm)
Resistenza in CC (senza Resistenza in AC (con Aumento di resistenza Aumento dell’attenuazione su carico
effetto pelle) (mΩ/m)
effetto pelle) (mΩ/m)
per effetto pelle (mΩ) resistivo di 4Ω in dB causata
dall’effetto pelle (10 m di cavo)
20 kHz
1
22.7
22.7
0
0. dB
20 kHz
2
5.7
7.8
2.1
0.046 dB
20 kHz
3
2.5
4.7
2.2
0.048 dB
20 kHz
4
1.4
3.4
2.0
0.042 dB
20 kHz
6
0.61
20 kHz
20
0.06
0.61
0.55
0.012 dB
Tabella 2: Attenuazione del segnale, causato dall’effetto pelle, valutato su un carico da 4 Ω collegato con 10 metri di cavo (5 in andata e 5 in ritorno) alla frequenza di 20 kHz
e per diversi diametri del conduttore., alla temperatura di 35°C
13
Figura 5: Rappresentazione dell’incremento effetto pelle in funzione del raggio del conduttore.
La cosa è ulteriormente rimarcata dalla Figura 5 in cui si nota l’aumento della resistenza
del conduttore in funzione del rapporto tra raggio del conduttore e lunghezza di
penetrazione. Se si parte con un filo a resistenza molto bassa (per esempio 0.01 Ω) la
lunghezza di penetrazione aumenta di 5 volte per effetto pelle ma la resistenza del cavo
rimane comunque bassa (meno di 0.03 Ω).
E allora quando è importante l’effetto pelle? La Tabella 3 è simile a quella precedente
ma riguarda un cavo lungo 50 centimetri con conduttori molto più sottili e frequenze
molto più alta. Le resistenze sono espresse in Ω anziché in mΩ.
14
Frequenza
Ø del filo (mm)
Resistenza in CC Resistenza
(senza
pelle) (Ω/m)
in
effetto effetto pelle)
(Ω/m)
AC
(con Aumento
resistenza
di Aumento
causata dall’effetto pelle (10 m di
cavo)
20 MHz
0.1
2.26
4.44
2.2
2.5 dB
20 MHz
0.2
0.55
2.04
1.5
2.4 dB
15
su
per carico resistivo di 4 Ω in dB
effetto pelle (Ω)
Tabella 3: Attenuazione per effetto pelle per un cavo lungo 50 centimetri con conduttori molto più sottili a 20 MHz.
dell’attenuazione
Con filo sottile e frequenza elevata l’attenuazione per effetto pelle è importante, ma
siamo a frequenze 1000 volte oltre la banda audio (Figura 6).
Figura 6: Dimensioni del trefolo di rame secondo la codificazione angloamericana AWG .
Per concludere l’effetto pelle esiste, è prevedibile e misurabile ma , se il diametro del
conduttore è nell’ordine di AWG 6, si manifesta con attenuazioni trascurabili. E’ invece
più sensibile quando la sezione del filo è nell’ordine di AWG 10 – AWG 14. Per quanto
riguarda i cavi di potenza per diffusori è sempre conveniente impiegare cavi di grosso
diametro (AWG 10, AWG 9, AWG 8,…).
I rame argentato non è più attraente perché meno soggetto all’effetto pelle ma perché
l’argento (e anche lo stagno) proteggono la superficie del rame dall’ossidazione.
L’ossido di argento, diversamente dall’ossido di rame, è conduttivo. L’argento tuttavia si
combina con il cloro dando origine al cloruro di argento (AgCl). Quindi i cavi in PVC e
PVDF sono sconsigliati anche quando il conduttore è argento o rame argentato. Evitare
il PVC ed il PVDF è la cosa giusta da fare in ogni caso.Secondo alcune scuole di
pensiero (Supra) un cavo multistand realizzato con trefoli argentati favorisce il
passaggio di elettroni da uno strand all’altro aumentando il rumore. E’ una
considerazione degna della massima attenzione anche perché, a ben guardare, l’unica
cosa che può fare un cavo, oltre ad introdurre attenuazione, è proprio introdurre rumore.
Tenendo conto delle particolarità dei segnali trasmessi e del modello che rappresenta
una linea, essi potranno essere descritti in funzione di una quantità γ detta costante di
propagazione:
16
La quantità γ può essere descritta anche tramite altri due parametri, la costante di
attenuazione α che indica il modulo dell'attenuazione di segnale, e la costante di fase β
che indica lo sfasamento del segnale sinusoidale, per unità di lunghezza, lungo la linea.
La distorsione in fase, che dipende dalla frequenza del segnale e dalle caratteristiche del
mezzo, introduce i concetti di onda diretta, che si propaga dal trasmettitore al ricevitore,
di onda riflessa, che rappresenta un segnale in linea che dal ricevitore torna al
trasmettitore.
La costante di fase β può essere espressa anche in funzione di della lunghezza d'onda λ,
che rappresenta la distanza che il segnale percorre lungo la linea nel periodo T.
Infatti dopo una distanza pari a λ, il segnale subisce uno sfasamento di 2π radianti
mentre β è lo sfasamento per unità di lunghezza:
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Da queste relazioni si deduce che quando un segnale si propaga lungo una linea subisce
sia un'attenuazione che uno sfasamento dipendenti dalla frequenza. Se il segnale
d'ingresso è periodico come nel campo audio si può scomporre in serie di Fourier ed
applicare ad ogni singola armonica le relazioni precedenti.
Affinché non vi siano distorsioni di ampiezza e fase lungo il il mezzo trasmissivo la
costante di attenuazione α deve essere indipendente dalla frequenza mentre la costante
di fase β deve variare linearmente con la frequenza in modo che la velocità di
propagazione sia costante per tutte le frequenze.
Ciò accade se è verificata la seguente relazione di non distorsione o di Heaviside:
In tal caso si ha:
18
La condizione di Heaviside è difficilmente verificabile poiché generalmente si ha che
R*C maggiore di L*G, quindi le risposte in frequenza di α e β per canali reali saranno
sempre diversi da quelli ideali (Figura 7).
Figura 7: Risposte in frequenza di α e β per un canale ideale e reale.
Note le caratteristiche dell'impedenza di linea, resta da capire come si comporta se viene
utilizzata per mettere in comunicazione un sistema trasmittente con uno ricevente.
Considerando in analisi una linea di lunghezza infinita, seppur nella teoria avremo, con
x che indica il punto della linea dove viene misurata l'impedenza:
Si evince quindi che in un qualunque punto della linea infinitamente lunga l'impedenza
è costante e pari all'impedenza caratteristica. Se una linea viene chiusa su un'impedenza
di carico pari a quella caratteristica, nella linea non vi sono riflessioni ed essa si
comporta come se fosse di lunghezza infinita. In tal caso la linea si dice adattata.
19
Linea di lunghezza finita chiusa su un carico generico
Si consideri una linea di lunghezza finita l, chiusa su di un carico Zu. Supponendo che
la linea sia priva di perdite, quindi con α=0, e che le distanze siano misurate a partire dal
carico Zu, si otterrà che tensione e corrente misurate saranno indicative della somma
degli effetti dati dai rispettivi valori diretti e riflessi (Figura 8).
Figura 8: Linea di lunghezza l chiusa su un carico generico Zu
Il rapporto tra tensione riflessa e tensione diretta, ed il rapporto tra corrente riflessa con
quella diretta definiscono rispettivamente le quantità vettoriali di coefficiente di
riflessione di tensione corrente. Il segno meno sta ad indicare che le due onde di
corrente Ir e If sono in opposizione di fase quando le onde di tensione Vr e Vf sono in
fase e viceversa. I due coefficienti risultano uguali ed opposti.
Il coefficiente di riflessione ρv è un numero complesso il cui modulo indica l'entità
della riflessione, mentre lo sfasamento ϑ fornisce l'angolo di riflessione tra i segnali di
tensione diretti e riflessi. Il Coefficiente ρi differisce da ρv solamente per il segno ad
indicare l'opposizione di fase tra corrente e tensione riflesse.
Se Zu=Z0 i coefficienti di riflessioni sono nulli e non vi sono onde riflesse.
20
Onde stazionarie
Se una si ha Zu diversa da Z0 linea risulta disadattata e la contemporanea presenza di
onde dirette e riflesse che interagiscono tra loro genera un segnale risultante denominato
onda stazionaria. Vi sono dei punti della linea in cui l'onda diretta e l'onda riflessa sono
in fase e pertanto c'è un massimo di tensione o di corrente denominato ventre; viceversa
se le due onde sono in opposizione di fase vi è un minimo di di tensione o corrente,
detto nodo. Si definisce rapporto di onda stazionaria ROS il rapporto tra il valore
massimo e quello minimo della tensione o della corrente.
E' fondamentale osservare che il ROS dipende solo dal modulo del coefficiente di
riflessione, ed invertendo la formula si ha:
In particolare se la linea è adattata si avrà ρv=0 e ROS=1. In caso di massima riflessione
si avrà:
ρv=1 e ROS= ∞.
L'impedenza Z(d) in un qualunque punto della linea varia in funzione del rapporto V(d)
/ I(d). In particolare si può verificare che tale impedenza è puramente resistiva nei ventri
di tensione dove è massima, e nei nodi di tensione dove è minima.
I casi più significativi per lo studio di una linea disadattata sono 2: linea chiusa in corto
circuito e linea con estremi aperti. In tali configurazioni si ha riflessione totale sul carico
per cui l'onda riflessa ha ampiezza uguale a quella dell'onda riflessa.
21
Il primo caso si ottiene ponendo Zu=0.
Con questa condizione la tensione diretta è in opposizione di fase con quella riflessa,
mentre la corrente diretta e quella riflessa sono in fase per cui è presente un ventre di
corrente.
In questa particolare situazione la corrente presente sarà di cortocircuito, l'impedenza
della linea sarà puramente reattiva e la suscettanza B sarà:
Quando l'uscita è in ramo aperto si ha Zu= ∞.
In questo caso la tensione diretta e quella riflessa sono in fase, mentre la corrente diretta
e riflessa sono in opposizione di fase per cui in uscita si ha un ventre di tensione ed un
nodo di corrente.
La tensione, la corrente e l'impedenza in un punto generico a distanza d dall'uscita della
linea saranno:
22
Studio del sistema linea e diagrammi di Bode
Analizzando i diagrammi di Bode della funzione di trasferimento del circuito che
rappresenta una linea di trasmissione, si ottiene un'analisi che descrive come la qualità
del segnale in essa trasmesso si mantiene o meno in funzione della lunghezza della
linea.
Essendo il sistema dinamico tempo invariante, è stata utilizzata la trasformata di
Laplace per passare dal dominio del tempo al dominio della frequenza.
Figura 9: Circuito nel dominio di Laplace.
Operando serie e parallelo sul circuito otteniamo lo schema semplificato
Figura 10: Circuito con impedenze equivalenti.
23
Le impedenze equivalenti corrispondono a:
Applicando il partitore di tensione otteniamo la tensione d'uscita al circuito, che
corrisponde a Vc(s) del circuito sopra rappresentato (Figura 10).
Nello specifico la funzione di trasferimento è data dal rapporto tra la tensione misurata
in uscita del circuito e quella applicata all'ingresso E(s). Da questa considerazione
otterremo quindi la funzione di trasferimento H(s):
24
Da quest'ultima rappresentazione analitica del sistema possiamo osservare che una linea
di trasmissione è caratterizzata da un polinomio di secondo grado al denominatore. Da
questa considerazione possiamo già concludere che una linea di trasmissione si
comporterà come un filtro passa basso del secondo ordine la cui frequenza naturale di
taglio dipenderà dalla lunghezza della linea e dalla sua composizione.
I valori dei componenti elettrici che descrivono il modello della linea di trasmissione
dipendono dalle proprietà dei materiali e dalla lunghezza della linea. Per effettuare
delle simulazioni sul comportamento del sistema sono state ipotizzate varie lunghezze
di linea ed utilizzati i valori commerciali di un tipico cavo per la trasmissione bilanciata
(Klotz MY 206) .
Dall'analisi dei valori si nota che le frequenze naturali di taglio, o comunque variazioni
significative della risposta del sistema della linea, sono molto alte, ben superiori sia alla
banda delle frequenze udibili, sia a quelle di campionamento utilizzate per le
conversioni analogiche – digitali. Nell’utilizzare una linea lunga 10m si ha una
comunque frequenza di taglio 10 volte più alta che se viene usata la linea lunga 100m.
25
Figura 11: Rappresentazione dei diagrammi di Bode delle funzioni di trasferimento di una linea lunga 10
m utilizzando Matlab.
26
Figura 12: Rappresentazione dei diagrammi di Bode della funzione di trasferimento di una linea lunga
100 m utilizzando Matlab.
27
Se ipotizziamo che alla fine della linea venga posto un carico R= 7.000 Ω (valore
dell’impedenza d’ingresso di un buon preamplificatore) otteniamo che R2 della linea
diventa trascurabile e sostituibile col valore della resistenza di carico. In funzione delle
due lunghezze della linea usate precedentemente si osserva che le frequenze di taglio
rimangono nello stesso ordine di grandezza, varia però il fattore di merito (psi),
cambiando così l’ampiezza del picco di risonanza alla frequenza di taglio, che si attenua
di 10 dB nel caso che la linea sia lunga 10m, superando di poco i 30dB di valore
(psi=0.013008). Nel caso della linea lunga 100 metri il fattore di merito diminuisce
ulteriormente di 10dB ed il suo valore assoluto supera di poco i 20dB (psi=0.042795).
28
29
30
Col diminuire della resistenza di carico, il fattore di merito in rapporto alla lunghezza
della linea aumenta ulteriormente di valore, abbassando ulteriormente il valore di picco
dell’ampiezza alla frequenza di taglio e diminuendo la pendenza del filtro.
Se ad esempio poniamo R2=2000 Ω (valore riscontrabile comunque nella realtà perché
riscontrabile come impedenza d’ingresso tipica di un mixer) osserviamo che alla
frequenza di taglio il valore di picco per una linea di 10m è di 22dB (psi=0.03723),
mentre con una linea lunga 100m è di 17.4dB (psi=0.066786).
Al diminuire della resistenza di carico si dimostra così che il filtro passa-basso ideale
che rappresenta il comportamento del cavo cambia la sua risposta a causa dell’aumento
del coefficiente di merito.
31
32
33
MISURE SPERIMENTALI
Le misure sperimentali sono state classificate e suddivise in due gruppi, che studiano
rispettivamente le variazioni che subisce un segnale di potenza ed un segnale di piccola
entità, come nel caso dei segnali microfonici, in funzione della variazione della
lunghezza della linea di collegamento. Le tracce audio di cui sono state studiate le
analisi spettrali sono state normalizzate allo scopo di evidenziare, più che le
attenuazioni nell’assoluto dei segnali,
le trasformazioni relative in funzione della
frequenza trasmessa.
Segnali di potenza
Per ottenere una misurazione sperimentale dei segnali audio trasmessi ad un diffusore
da un amplificatore di potenza sono state usate due resistenze da 0,05 Ω in serie alla
linea, la prima allocata in prossimità dell'uscita dell'amplificatore (CLOSE), la seconda
alla fine della tratta subito prima del diffusore (FAR). Importante ricordare che i
diffusori si muovono in funzione della corrente e non dalla tensione. Usando resistenze
molto basse di valore poste in serie all’interno della linea, misurandone la caduta di
tensione, riusciamo ad avere una lettura indiretta della corrente senza alterarne troppo il
valore all’interno del circuito in studio.
Collegando gli estremi dei bipoli elettrici al polo caldo ed alla massa (collegamento
sbilanciato) di un connettore XLR si è potuto provvedere all'acquisizione del segnale di
potenza adattati tramite un preamplificatore Millennia HV-3D dotato di convertitore
AD-D96, utilizzati anche come interfaccia di I/O settati con frequenza di
campionamento a 96 KHz e risoluzione a 24 bit (Figura 13).
34
Figura 13: Schema dei collegamenti per le misure di segnale di potenza.
Per le misure sono state preparate tre tracce audio:
1. normale traccia audio composta da due frammenti dello stesso concerto per
orchestra con importanti dinamiche;
2. traccia di rumore rosa;
3. traccia denominata “test” composta da una serie di onde sinusoidali note (le
frequenze sono riportate in Tabella 4). La durata delle singole sinusoidi è di 1,5
secondi con fade-in e fade-out da 50 millisecondi allo scopo di preventivare
possibili danneggiamenti al diffusore).
Frequenze usate per il segnale Test [Hz]
20
10000
100
11000
500
12000
1000
13000
2000
14000
3000
15000
35
4000
16000
5000
17000
6000
18000
7000
19000
8000
20000
9000
Tabella 4: Elenco delle frequenze usate per il segnale test.
36
Misure in auditorium
L’impostazione del lavoro appena descritta è stata usata inizialmente sull’impianto
dell’auditorium del conservatorio “C. Pollini” di Padova.
In questa sede è stato preso in considerazione anche l'errore di misura che sarebbe
derivato dalla tecnica usata per l'acquisizione dei segnali. Le resistenze usate sono
caratterizzate da un valore di tolleranza dell'1%, un basso coefficiente di temperatura
che consente loro di mantenere più costante il proprio valore a prescindere della
temperatura che raggiungono a causa dell’effetto Joule , e la tecnologia di costruzione le
rendono poco sensibili ad effetti induttivi parassiti, fattore che al contrario delle
resistenze a filo, non è trascurabile.
Per quanto comunque le resistenze, usate insieme ai connettori ed al cavo usato per i
collegamenti, possano essere precise sicuramente introducono nella linea degli effetti
che non dipendono dal fenomeno in studio. Per sapere quanto questi avrebbero influito,
sono stati messi a confronto gli stessi segnali invertendo di posizione i due tratti di cavo
con la resistenza di misura e calcolata la differenza degli spettri (Figura 14).
Figura 14: Grafico del risultato del test di precisione per la misura dei valori.
37
Dall'analisi spettrale si può notare come l'uso di una resistenza o dell'altra per
l'acquisizione dei segnali “CLOSE” o “FAR” introducono un errore sicuramente
trascurabile rispetto i valori sensibili alle misure oltre i 20.000 Hz.
38
Partendo dai risultati ottenuti dallo studio teorico del sistema “linea di trasmissione” e
delle considerazioni sugli errori di misura, i risultati sperimentali avrebbero dovuto
fornire delle forme d'onda simili, differenziati dalle eventuali iterazioni tra le impedenze
d'uscita dell'amplificatore, l'impedenza della linea e l'impedenza del diffusore.
Osservando l'andamento temporale delle tracce (Figura 15, Figura 16 e Figura 17) si è
potuto invece notare che l'amplificatore EPAC ha un controllo elettronico dell'emissione
del segnale che ne altera l'ampiezza in funzione della frequenza in base al carico che
viene ad esso collegato.
Figura 15: Rappresentazione del segnale test “original”.
Figura 16: Rappresentazione del segnale test "close".
39
Figura 17: Rappresentazione del segnale test "far".
Questa sua non linearità visibile sia nel segnale “CLOSE” che nel “FAR”, messa
ulteriormente in evidenza dalle analisi spettrali (Figura 18 e Figura 19), ha obbligato la
sperimentazione a testare la risposta di un sistema di potenza differente, in cui
l'amplificatore non fosse dotato di un’elettronica di controllo che manipolasse il segnale
per l’ottimizzazione del segnale in funzione del carico ad esso collegato.
40
Figura 18: Grafico delle analisi spettrali – impianto auditorium.
Figura 19: Grafico della differenza tra le analisi spettrali – impianto auditorium.
41
Misure con l’impiego di un amplificatore Hafler con diffusore ESB Classic 400
A seguito delle problematiche emerse dall’utilizzo del precedente tipo di impianto che
come riscontrato alterava il segnale di uscita in funzione del carico, si è deciso di
ripetere le misure con un sistema più idoneo alle nostre esigenze. L’amplificatore usato
per queste misure è un Hafler P1500, in configurazione a ponte (170 W su 8 Ω) ed come
carico reale un diffusore ESB Classic 400 (tre vie).
La linea di collegamento è lunga 48 metri e la sezione del cavo usato è di 2,5mm2,
quindi con un diametro di 1,78mm. Data la sezione del cavo è importante ricordare che
la resistenza della linea verrà influenzata dall’effetto pelle che ne aumenterà il valore in
funzione della frequenza del segnale anche oltre il 30%.
Gli andamenti lineari delle analisi spettrali mettono in evidenza i moduli dei segnali e,
superata la frequenza di taglio, con quale inclinazione il filtro passa-basso che li
rappresenta ne altera l'ampiezza.
Dalla rappresentazione delle analisi spettrali e dei rispettivi andamenti lineari (da Figura
20 a Figura 23) si può notare che lo spettro del segnale perde linearità rispetto alla
traccia originale emessa nell'impianto ed in particolare si evidenzia che:
~
i segnali denominati come “CLOSE” e “FAR” risultano attenutati rispetto al
segnale denominato “ORIGINAL” immesso all'interno del sistema di
amplificazione;
~
sottraendo tra loro gli spettri dei segnali si nota che il segnale in uscita
dall'amplificatore subisce delle importanti distorsioni a diverse frequenze
provocate principalmente dalla natura del carico che, non avendo un'impedenza
costante in funzione della frequenza, ne modifica la forma.
~
la linea introduce un'ulteriore distorsione del segnale in prossimità dei 10.000
Hz, messa in evidenza dalla linea che descrive la differenza del segnale
“CLOSE” col segnale “FAR”.
42
Figura 20: Grafico delle analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler.
Figura 21: Grafico degli andamenti lineari delle analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler.
43
Figura 22: Grafico della differenza tra le analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler.
Figura 23: Grafico della differenza tra le analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler.
44
Misure con l’impiego di un amplificatore Hafler con carico resistivo
Più complesso è lo studio delle variazioni di fase che il segnale subisce a causa della
natura del carico: essendo il diffusore composto da componenti quali condensatori per il
filtraggio del suono (filtri passivi interni per l’indirizzamento del suono in funzione
della frequenza) ed altoparlanti, componenti che per loro natura funzionano sfruttando
effetti elettromagnetici e paragonabili per comportamento a delle induttanze, presenterà
un’impedenza instabile che oscillerà in modo difficile da prevedere e che provocherà
variazioni altrettanto complesse alla tensione e soprattutto alla corrente del segnale
trasmesso.
Per cercare di misurare più precisamente l'influenza della sola linea nella trasmissione
del segnale cercando di eliminare il più possibile gli effetti non lineari del diffusore
sono state rifatte le misure sostituendo il carico con una resistenza da 5 Ω (dalla Figura
24 alla Figura 27). Da questa seconda serie di misure si riscontra che:
~
la sottrazione del segnale “ORIGINAL” col segnale “CLOSE” risulta molto più
lineare e i picchi di valore, visibili soprattutto oltre i 20.000 Hz si possono
ricondurre a disturbi esterni ed alla tecnica di acquisizione del segnale;
~
la sottrazione del segnale “CLOSE” col segnale “FAR” mette in evidenzia che la
linea introduce 2 importanti variazioni di attenuazione, la prima che si evolve tra
i 100 e i 1.000 Hz, la seconda dopo i 10.000 Hz.
~
sia l'andamento lineare degli spettri che la differenza dei loro valori evidenzia
che alla fine della linea di trasmissione il segnale subisce un filtraggio diverso
sia dal segnale “CLOSE” che dal segnale “ORIGINAL”, che invece sono molto
più simili: la frequenza di taglio del filtro risulta più bassa e la pendenza
dell'attenuazione di segnale risulta minore.
45
Figura 24: Grafico delle analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler con resistenza.
Figura 25: Grafico degli andamenti lineari delle analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler con
resistenza.
46
Figura 26: Grafico della differenza tra le analisi spettrali – impianto amplificatore Hafler con resistenza.
Figura 27: Grafico degli andamenti lineari della differenza tra le analisi spettrali – impianto amplificatore
Hafler con resistenza.
47
THD - Total Harmonic Distorsion
Definizione
Questa grandezza misura l'introduzione di un rumore ad opera di un dispositivo su un
segnale audio che transita al suo interno. Ciò avviene principalmente perché il
dispositivo, non riproducendo esattamente l'andamento del segnale di ingresso, modifica
in alcuni punti la pendenza del segnale alterandone il contenuto in frequenza. Questo
genera delle nuove frequenze che non erano presenti nel segnale iniziale e che dunque
vengono considerate come rumore.
Se all'ingresso di un dispositivo viene mandato un segnale composto da una singola
frequenza di riferimento di 1KHz ad una determinata ampiezza e viene misurato il
relativo segnale di uscita. Questo ripresenterà la frequenza di un 1KHz (eventualmente
amplificata o attenuata) più una serie di armoniche che avranno ampiezza molto minore
di quella della frequenza iniziale ma che sono la causa della distorsione che stiamo
esaminando.
Il valore che fornisce la misura della distorsione armonica si chiama THD, Total
Harmonic Distorsion (distorsione armonica totale) e viene calcolato in base alla
seguente formula:
Il THD è una grandezza da tenere in gran conto nella valutazione della qualità di un
dispositivo in cui vorremmo che le frequenze presenti sul segnale di uscita fossero
esattamente le stesse di quelle del segnale di ingresso.
Generalmente sulle specifiche che accompagnano un dispositivo, l'ampiezza della
fondamentale viene indicata. In caso contrario si considera come ampiezza lo 0Vu.
Valori per il THD oltre il 3% vengono considerati assolutamente inaccettabili perchè, se
ne consideriamo il caso limite (THD = 3%), il valore in dB che si ottiene è di -30dB;
questo significa che la distorsione armonica totale ha un'ampiezza di 30dB inferiore
rispetto alla fondamentale, differenza tra due suoni che è chiaramente percepibile.
Il THD di un apparecchio viene sempre riportato sul foglio che ne descrive le
caratteristiche tecniche fornito dal costruttore (data sheet). Gli ordini di grandezza del
THD variano a seconda del contesto lavorativo dell'apparecchio.
48
Per esempio da un amplificatore da 10 W è lecito attendersi un valore di THD attorno
allo 0.01% mentre un amplificatore da 200 W può avere valori di THD dell'ordine dello
0.1%. Questo perché aumentando la potenza del segnale da manipolare diminuisce
anche la precisione del componente elettronico in esame (potenza e precisione sono due
caratteristiche antitetiche). In campo digitale possiamo contare su valori di THD
decisamente più bassi. Il THD dichiarato da un sistema ProTools nella sua
configurazione standard è di 0.004%.
Andando a studiare nel caso specifico la distorsione dell'amplificatore Hafler utilizzato
per le misure sperimentali sono state ricavate le analisi spettrali dei segnali
“ORIGINAL”, “CLOSE” e “FAR” in funzione di un segnale sinusoidale a 1 Khz di
frequenza (Figura 28). Dai valori ottenuti sono stati conseguentemente ricavati la
differenza tra questi spettri e la differenza percentuale della componente fondamentale e
delle prime sei armoniche per calcolare così i valori di THD che dipendono, non solo
dalle caratteristiche dell'amplificatore, ma anche dalla lunghezza della linea e del carico.
49
THD sperimentale: amplificatore Hafler con diffusore
Il segnale “ORIGINAL” (Figura 28) non è una sinusoide pura, nonostante fosse stata
generata come tale, ed è caratterizzata da componenti definibili come “rumore” lungo
tutto lo spettro, con importanti picchi di valore in corrispondenza delle armoniche del
segnale generato.
Nonostante l'imprecisione del segnale di riferimento si nota comunque che si il segnale
“CLOSE” che “FAR” hanno un valore di rumore più elevato e le ampiezze delle
armoniche risultano maggiori che nel segnale “ORIGINAL”.
Soprattutto nello spettro antecedente il valore di 1KHz, il segnale “FAR” è
caratterizzato da valori di rumore più elevati che nel segnale “CLOSE”.
Osservando le differenze d'ampiezza tra gli spettri (Figura 29) si nota che la linea
incrementa una variazione dello spettro di tutto il segnale in modo piuttosto lineare
(“differenza di livello CLOSE-FAR”). Le variazioni più importanti dell'andamento
spettrale rispetto il segnale “ORIGINAL” sono più evidenti nella “differenza di livello
ORIGINAL-CLOSE”.
Le armoniche del segnale “CLOSE” sono genericamente più grandi che nel segnale
“FAR” (Figura 30 e Figura 31). L'unica componente armonica che viene ulteriormente
amplificata è la terza, sui 3 Khz.
Il valore di THD percentuale (Tabella 5) risulta, anche se di molto poco, minore nel
segnale “FAR” che nel segnale “CLOSE”.
50
Figura 28: Analisi spettrali della traccia test di 1 KHz.
Figura 29: Differenza delle analisi spettrali della traccia test di 1 KHz.
51
Figura 30: Dettaglio analisi spettrale 1 KHz – fondamentale e prime 5 armoniche.
Figura 31: Differenza percentuale analisi spettrale 1 KHz – fondamentale e prime 5 armoniche.
52
Tabella 5: Riepilogo delle analisi spettrale 1 KHz – fondamentale e prime 5 armoniche.
Se studiamo il THD a 100Hz e a 10.000Hz è evidente come la natura del diffusore ne
influenza il risultato:
In bassa frequenza le armoniche hanno valori dei segnali “CLOSE” e “FAR” sono
molto più alte che nel segnale “ORIGINAL”, mentre l’analisi spettrale non indica
differenze significative tra i segnali “CLOSE” e “FAR”.
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In alta frequenza le differenze armoniche tra segnale “ORIGINAL” rispetto i segnali
“CLOSE” e “FAR” diminuiscono, mentre i valori percentuali delle armoniche del
segnale “CLOSE” sono più alti che nel segnale “FAR”, dando un aumento del THD tra
inizio e fine della linea del 0,04.
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57
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THD sperimentale: amplificatore Hafler con resistenza
Utilizzando una resistenza come carico si ottengono delle misure più precise sul
comportamento della linea perché non influenzate dall’impedenza variabile del
diffusore. Questa affermazione deriva dal confronto diretto tra i segnali “ORIGINAL”
ottenuti nei due studi in cui l'andamento spettrale è meno lineare nel caso in cui il
diffusore funge da carico. In particolare si sottolinea che:
~
anche da queste misure si nota che i segnali “CLOSE” e “FAR” sono
caratterizzati da un rumore di fondo maggiore rispetto la traccia “ORIGINAL”.
Il segnale “FAR” ha un valore medio di rumore più alto del segnale “CLOSE”
soprattutto nelle frequenze più basse della fondamentale da 1 Khz.
~
l'analisi spettrale delle prime 5 armoniche mette in evidenza un'importante
aumento di valore delle armoniche nel segnale “CLOSE” rispetto il segnale
“ORIGINAL”. Nel segnale “FAR” l'andamento spettrale fino ai 4.000 Hz non
subisce variazioni rispetto il “CLOSE”. Oltre i 4.000 Hz è molto interessante
vedere che il valore delle armoniche non oscilla come i segnali “CLOSE” e
“ORIGINAL”. Questo fenomeno sicuramente è provocato da un filtraggio della
linea che non è trascurabile perchè collocato in un range di frequenze udibili.
~
il THD complessivo risulta avere un leggero incremento tra il segnale “CLOSE”
e “FAR”, tuttavia sia i loro valori assoluti e che l'incremento risultano
trascurabili.
60
Figura 32: Analisi spettrali della traccia test di 1 KHz con carico resistivo.
Figura 33: Differenza delle analisi spettrali della traccia test di 1 KHz con carico resistivo.
61
Figura 34: Dettaglio analisi spettrale 1 KHz – fondamentale e prime 5 armoniche con carico resistivo.
Figura 35: Differenza percentuale analisi spettrale 1 KHz – fondamentale e prime 5 armoniche con carico
resistivo.
62
Tabella 6: Riepilogo delle analisi spettrale 1 KHz con carico resistivo – fondamentale e prime 5
armoniche.
63
SEGNALI MICROFONICI
Lo studio dei segnali microfonici aveva l'obiettivo di evidenziare eventuali alterazioni di
segnale provocate dalla differenza di lunghezza del cavo usato per collegare una coppia
di trasduttori “uguali” al preamplificatore, collegamenti fatti con un cavo lungo 3 metri
(lunghezza minima che serviva fisicamente per collegare il microfono al
preamplificatore) e con cavo lungo 100 metri, avente
uguali caratteristiche
tecniche.
Una prima serie di dati sono stati raccolti mettendo a confronto le acquisizioni di
rumore rosa emesso dal diffusore “Genelec 8260 A” posizionando la coppia di
microfoni al meglio affinchè non ci fossero differenze di segnali provocate dalla loro
differente posizione rispetto la sorgente di segnale. Una seconda serie di dati sono stati
ricavati generando al meglio delle possibilità un suono impulsivo e il più
omnidirezionale possibile, sempre per avere per entrambi i microfoni una sorgente di
segnale il più simile possibile. A tale scopo sono stati usati dei palloncini.
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Si voleva inoltre studiare come l'impedenza d'uscita dei microfoni che, interagendo con
l'impedenza della linea e d'ingresso del preamplificatore, potesse influenzare i risultati
in funzione. Per ottenere materiale su cui poter fare delle analisi sono stati usati vari
microfoni, caratterizzati da precisione, impedenze e costi differenti:
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Recezione del rumore rosa
In tutti i grafici che riportano gli spettri e le differenze tra gli spettri tra le coppie di
microfoni non sono visibili importanti variazioni di segnale. La variazione più
importante di livello non supera gli 1-2 dB di valore. Anche la frequenza di taglio che si
riscontra dagli andamenti lineari degli spettri non identifica importanti variazioni, come
neppure la pendenza dell'attenuazione.
Uno dei limiti più evidenti di questo tipo di misure risiede sulla difficoltà nel
posizionare i microfoni in modo che possano ricevere lo stesso identico segnale: a causa
infatti delle dimensioni dei microfoni e delle sospensioni elastiche, in rapporto alle
dimensioni e direzionalità di suono della sorgente non ideale si possono riscontrare delle
degli errori di misura che provocherebbero delle differenze di segnale ricevuto dai
microfoni.
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Figura 36: Analisi spettrali microfoni AKG 414 – rumore rosa.
Figura 37: Differenza analisi spettrali AKG 414 - rumore rosa.
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Figura 38: Analisi spettrali Rode NT4 - rumore rosa.
Figura 39: Differenza analisi spettrali Rode NT4 - rumore rosa.
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Per dimostrare che questo fenomeno sia effettivamente provocato da una imprecisione
della posizione dei microfoni, sono state fatte delle misure che invertono la lunghezza
della linea mantenendo i microfoni nella stessa posizione. Se i segnali fossero
perfettamente identici, la loro differenza dovrebbe essere nulla.
Sia per i microfoni Neumann KM184 che per i Rode NT4 con i quali sono stati fatti
questi test comparativi risulta che i segnali si differenziano tra loro di valori
paragonabili alle variazioni misurate tra i segnali “CLOSE” e “FAR” in esame.
70
Figura 40: Test di precisione di misura rumore rosa – Neumann KM184.
Figura 41: Test di precisione di misura rumore rosa – Rode NT4.
71
Recezione dell'impulso
Allo scopo di usare una sorgente sonora più omnidirezionale possibile per poter così
limitare l’errore di misura provocato dal posizionamento dei microfoni, la sorgente
sonora è stata sostituita con un palloncino che di volta in volta si è fatto scoppiare per
generare un segnale omnidirezionale per quanto possibile impulsivo il quale, per
definizione teorica, è un segnale composto da componenti armoniche di tutte le
frequenze generate nello stesso istante e di durata tendente a zero.
In queste misure si possono evidenziare delle variazioni di segnale sia in bassa che in
alta frequenza. Sia microfoni economici come i Samson C01 (Figura 50 e Figura 51)
che microfoni di categoria superiore, come i Neumann KM184 (Figura 46 e Figura 47)e
gli Audiotechnica Pro35x (Figura 44 e Figura 45), non mostrano praticamente alcuna
differenza tra l’andamento lineare dello spettro del segnale ”CLOSE” e lo spettro del
segnale “FAR”. Le uniche differenze tra i due andamenti lineari degli spettri sono
relativamente trascurabili perchè al di sotto o poco all'interno della soglia che i relativi
costruttori indicano come range di frequenza utile.
Come già stato precedentemente dimostrato, il cavo si comporta come un filtro passa
basso. Dato che queste variazioni si trovano in un range di frequenze basso e che
comunque già intorno ai 100 Hz gli spettri tornano ad essere pressochè identici, le
differenze in bassa frequenza potrebbero essere state provocate dall'imprecisione della
tecnica usata per la generazione dell'impulso, dall'ambiente in cui sono state fatte le
misure o dal differente orientamento dei microfoni in funzione della sorgente.
Altri microfoni come il Rode NT4 (Figura 48 e Figura 49) e l'AKG 414 (Figura 42 e
Figura 43) presentano delle lievi differenze di ampiezza tra i rispettivi segnali “CLOSE”
e “FAR”. I grafici dimostrano comunque che le frequenze di taglio e le pendenze del
filtraggio differiscono di valori molto piccoli. I costruttori dei Rode NT4 non indicano
nella scheda tecnica un valore massimo di errore provocato da differenze fisiche delle
capsule e gli AKG 414 vengono venduti singolarmente. La differenza di ampiezza
assoluta tra i segnali ritengo deriva non tanto dall'effetto della linea ma da una
differenza fisica tra le capsule degli stessi microfoni, come è stato possibile notare dalle
misure precedenti fatte col rumore rosa.
72
Figura 42: Analisi spettrale AKG414 – impulso.
Figura 43: Differenza analisi spettrali AKG414 – impulso.
73
Figura 44: Analisi spettrale Audiotechnica Pro 35x - impulso.
Figura 45: Differenza analisi spettrali Audiotechnica Pro 35x – impulso.
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Figura 46: Analisi spettrale Neumann KM184 – impulso.
Figura 47: Differenza analisi spettrali Neumann KM184 - impulso.
75
Figura 48: Analisi spettrale Rode NT4 – impulso.
Figura 49: Differenza analisi spettrali Rode NT4 – impulso.
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Figura 50: Analisi spettrale Samson C01 – impulso.
Figura 51: Differenza analisi spettrali Samson C01 – impulso.
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CONCLUSIONI
Lo studio della trasmissione di segnale ha dimostrato che nell’assoluto l’impedenza e
le caratteristiche elettriche di una linea in uso normalmente nei collegamenti audio non
alterano in modo significativo un segnale. Ha evidenziato invece che l’ottimizzazione
del rapporto tra impedenze d’uscita di una sorgente sonora e di ingresso di un
utilizzatore come un diffusore insieme alla linea che funge da collegamento è molto più
importante.
Lo studio delle distorsioni del segnale in funzione della lunghezza della linea di
collegamento ha mostrato come soprattutto per la gestione di segnali di potenza la
lunghezza del cavo è un fattore che influenza il rapporto tra segnale utile e “rumore di
fondo”.
Molto importanti sono state le osservazioni che si sono potute fare su come il segnale
viene alterato in funzione del carico che la sorgente di segnale gestisce: andamenti
spettrali, pressochè lineari nel caso di un carico resistivo, hanno subito importanti
variazioni in funzione della natura non puramente resistiva dei diffusori, mettendo in
evidenza come la scelta dell’amplificatore e del diffusore di un sistema audio devono
essere scelti e abbinati in modo attento per ottenere il suono e la qualità perché le
prestazioni del primo sono strettamente vincolate dal secondo. A parità quindi di
parametri esclusivamente elettrici dei singoli, una coppia amplificatore-diffusore non è
assolutamente scontato che “suoni” altrettanto bene di un’altra abbinata amplificatorediffusore.
Dallo studio dei segnali microfonici emergono altre problematiche riguardo la
trasmissione dei segnali: secondo lo studio elettrotecnico un filtro, oltre al modulo del
segnale, ne altera anche la fase.
Compensando una lieve latenza (60 – 70 µsecondi) riscontrata tra gli ingressi dei
microfoni in fase di registrazione degli impulsi, sono visibili oscillazioni di valore,
osservabili nelle rappresentazioni delle differenze tra gli spettri, che si presentano già
sotto i 1.000 Hz ed incrementano con l’aumentare della frequenza. Le oscillazioni
presenti sopra questa soglia hanno valori decisamente alti e potrebbero essere provocate
proprio dalla variazione di fase che la linea introduce. Per dimostrarlo però
bisognerebbe fare un’altra serie di misure, confrontare a parità di linea di collegamento
se queste oscillazioni si presentano comunque per escludere quindi le differenze fisiche
78
dei microfoni e di segnale acquisito, usare varie misure di cavo per una delle due linee
per osservare come queste oscillazioni si evolvono in funzione della lunghezza del cavo.
Inoltre l’imprecisione delle tecniche usate per la generazione degli impulsi,
l’impossibilità di poterne controllare la pressione sonora, le incognite intrinseche
all’ambiente di lavoro dove sono state fatte le misure, danno larga possibilità di
perfezionamento ed espansione dello studio fatto, e non garantiscono che per l’ascolto
di un orecchio attento ed esperto le variazioni più o meno trascurabili a livello analitico
non siano effettivamente percepibili.
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BIBLIOGRAFIA e SITOGRAFIA
-
Corso di elettronica 1 di Ettore Panella, Giuseppe Spalierno – Edizioni Cupido
-
Corso di telecomunicazioni 2 di Ettore Panella, Giuseppe Spalierno – Edizioni
Cupido
-
http://www-3.unipv.it/electric/cad/slide_PeAE/PAE_Concetti_fondamentali.pdf
-
http://www.maffucci.it/2011/01/29/lezione-n-2-microcorso-di-elettronica-perprincipianti-struttura-atomica/
-
http://www.maffucci.it/2011/02/04/lezione-n-4-%E2%80%93-microcorso-dielettronica-per-principianti-corrente-elettrica/
-
http://www.diee.unica.it/~musai/Elettrotecnica/Modellazione_%20delle_linee_elett
riche.pdf
-
http://it.wikipedia.org/wiki/Linea_di_trasmissione
-
http://it.wikipedia.org/wiki/Segnale_elettrico
-
http://it.wikipedia.org/wiki/Impedenza_caratteristica
-
http://www.mariobon.com/Articoli_sito/cavi.htm
-
http://www.audiosonica.com/it/corso/post/204/Rumore_Distorsione_e_distorsione_
Armonica_Totale_THD
80
