Quarta e ultima parte dell’intervista all’Ing. Giuseppe Parolo iniziata qui. Prendendo spunto dalla sua ricerca Proprietà delle distorsioni non lineari e loro misure negli amplificatori audio, pubblicata sul Journal of the Audio Engineering Society, nelle parti precedenti abbiamo potuto riscontrare di come le distorsioni non lineari nelle amplificazioni abbiano un ruolo cruciale nella qualità d’ascolto percepita.
Ringraziando ancora l’Ing. Parolo per la disponibilità dimostrataci e non scontata, dato che si tratta di compiere un intervento discorsivo e divulgativo ben ulteriore alla tipologia del lavoro già svolto, concludiamo quindi con una serie di domande e spunti il più possibile orientati a capire come i tecnici e noi stessi audiofili ci si possa muovere in questo campo.
Domanda: A questo punto della tua ricerca, si può dire che le misure “storiche” siano forse limitate, se non sbagliate, e debbano e possano essere aggiornate o cambiate?
Giuseppe Parolo: Da quanto riportato in diverse ricerche, le misure classiche offrono solo una modesta correlazione con la qualità del suono. Come ho descritto, questa situazione dipende principalmente dall’esclusione nei calcoli degli effetti psicoacustici, nonché dalla loro vista ristretta a semplici segnali di test stazionari.
Ma c’è da considerare anche un ulteriore aspetto più subdolo: queste misure non sono in grado di quantificare l’entità complessiva della distorsione non lineare sui segnali di test. Sono escluse infatti nel loro calcolo le componenti distorsive nascoste nelle fondamentali. Per avere un’idea dell’effetto sulla misura del THD di questa mancanza si può osservare la fig. 3(b): il valore del THD si riferisce alla curva in verde e non a quella della distorsione reale in rosso… una bella differenza!
Questo aspetto si può analizzare anche nel dominio della frequenza considerando la fig. 9 e la fig. 11: le misure classiche fotografano solamente le distorsioni nel grafico in basso. A volte, le componenti nascoste mancati sono trascurabili, come in fig. 9 dove i grafici (a) e (b) sono quasi identici; altre volte non lo sono, come in fig. 11 dove i grafici (a) e (b) differiscono sensibilmente. Dunque, le misure classiche in alcune circostanze sono in grado di catturare tutte le non linearità, in altre si perdono componenti energetiche, risultando in un valore più basso di quello reale. Un effetto poco desiderabile di questa situazione è quello di rendere inconsistenti i confronti delle misure relative a distorsioni con struttura differente, e quindi di dispositivi diversi, specialmente quando gli scostamenti risultano modesti, intorno ai 10 dB circa.
Per quanto di mia conoscenza, nessuno degli strumenti di misurazione attualmente in commercio prevede l’utilizzo di modelli in grado di stimare le componenti distorsive mancanti. Per rimediare a questa situazione ho proposto:
- una procedura di calcolo per stimare il livello e la fase delle componenti nascoste
- un nuovo insieme di misure (metriche) duali di quelle attuali, identificate col prefisso “True-”, che include nel calcolo queste componenti
Nella mia ricerca ho delineato alcuni metodi relativamente semplici per stimare le componenti nascoste, basati sull’identificazione di modelli – come in fig. 7 – che approssimano il comportamento del dispositivo utilizzando i dati già collezionati nelle misurazioni classiche. Nel caso più semplice in cui le armoniche di ordine superiore al terzo siano trascurabili il fattore di correzione da applicare al THD dipende solo dal rapporto fra i livelli della terza e seconda armonica (HD3/HD2) e non dai livelli assoluti di ognuna. La fig. 12 riporta graficamente l’andamento di questo fattore in dB, ottenuto tramite delle simulazioni.
Fig. 12 – Fattore correttivo da applicare al THD in funzione del rapporto fra l’intensità della terza e della seconda armonica. La curva è applicabile nei casi in cui le distorsioni nelle armoniche degli ordini superiori risultano inferiori a circa 30 dB.
Dalla figura si ricava che quando predomina la seconda armonica (HD3/HD2 < -20 dB) il THD è corretto; viceversa, quando predomina la terza armonica (HD3/HD2 > 10 dB) occorre aggiungere ben 10 dB di correzione, cioè la distorsione reale è 3 volte più grande. Nelle situazioni intermedie la correzione è graduale. Così, nel caso di fig. 3, dove il THD = 77.5 dB e HD3/HD2 = -84.8+78.3 = -6.5 dB, si avrà dal grafico una correzione di 4.2 dB e quindi un True-THD = -77.5+4.2 = -73.3 dB. Da notare che per una catena di amplificazione il rapporto HD3/HD2 non è fisso, ma aumenta incrementando il volume: il livello della terza armonica dipende infatti dal cubo del livello del segnale; la seconda dal quadrato. Dunque, escludendo la situazione in cui la distorsione di terza armonica è assente, anche la correzione al THD aumenta incrementando il volume, con un valore massimo di +10 dB. La curva non dipende dalle fasi delle distorsioni. La fase della distorsione nascosta può comunque essere compressiva (in fase), espansiva (in controfase), o una situazione intermedia. In quest’ultimo caso, dai modelli risulta che i livelli delle distorsioni cambieranno in funzione della frequenza. Queste informazioni possono essere utilizzate come elemento ulteriore da considerare per classificare il dispositivo.
Per la metrica THD+N la curva trasla orizzontalmente verso destra in dipendenza del livello complessivo del rumore.
L'IMD richiede correzioni più lievi poiché contempla solo i toni in rapporto non armonico: le variazioni sono dovute solo al riferimento delle fondamentali che dovrebbero essere private della componente nascosta. La metrica True-TD+N invece si discosta dal TD+N, il cui valore dipende dal segnale scelto. In generale, dato che in questo caso di presentano molte componenti di intermodulazione (vedi fig. 9 e 11), il contributo numerico delle distorsioni nascoste influisce in minor misura rispetto al THD sul risultato finale.
Se il dispositivo presenta distorsioni oltre il terzo ordine la situazione si complica notevolmente, dove le fasi delle distorsioni giocano un ruolo importante. Per avere un’idea di come del loro comportano si può simulare un sistema in cui compaiono solo le armoniche dispari HD3 e HD5 (quelle pari non influiscono su HD1). La fig. 13 mostra l’andamento del True-THD e del THD in funzione del rapporto HD3/HD5, con HD5 fissato a –90 dB (valori diversi traslano le curve verticalmente) e due combinazioni delle fasi:
- curva tratteggiata: fase HD₃ = 180°, fase HD₅ = 0°;
- curva continua: fase HD₃ = 180°, fase HD₅ = 180°.
Fig. 13 – True-THD, THD e HD1 in funzione del rapporto dei moduli HD3 e HD5.
Nel primo caso il True-THD risulta di circa 15 dB superiore al THD, ed entrambe le curve crescono all’aumentare della distorsione HD3. Nel secondo caso invece il True-THD inizialmente decresce all’aumentare di HD3 (comportamento insolito) per poi risalire dopo un punto di contatto col THD quando HD3/HD5 = 4.2 dB. Questo effetto è dovuto alla variazione di fase della componente nascosta HD1, che si trasforma da espansiva a compressiva, come mostrato dalla curva di HD1 nello stesso grafico, che ha una cuspide verso il basso nel punto di transizione. Un cambiamento delle fasi delle distorsioni comporta andamenti intermedi fra queste due curve, con conseguente dipendenza dei livelli distorsione dalla frequenza.
Per le altre metriche THD+N, IMD e TD+N valgono considerazioni analoghe a quelle esposte per distorsioni fino al terzo ordine.
Dunque, l’adozione di questo nuovo insieme di metriche, unito alle informazioni sulla fase della distorsione nascosta, può evidenziare fenomeni che quelle classiche non rilevano. Attualmente sto lavorando a ulteriori raffinamenti del metodo di misurazione per rendere la stima delle componenti nascoste più accurata, utilizzando segnali di test ad hoc e modelli più complessi.
Domanda: Correttezza alle misure contro piacevolezza all’ascolto possono quindi convivere? Qual è il punto d’incontro?
Parolo: È frequente quando si parla di qualità del suono confondere la piacevolezza con la correttezza. Riassumendo, non si può automaticamente assumere che la catena audio con la distorsione più bassa sia la più apprezzata: le abitudini di ascolto di certi tipi di distorsione negli ambienti domestici le fa apparire normali e piacevoli. La mia ricerca non ambisce comunque a definire degli indicatori globali per la piacevolezza o la naturalezza del suono, ma solo a qualificare in modo più preciso alcune alterazioni sul segnale da relazionare con effetti particolari sul suono percepito. Nelle sensazioni di piacevolezza e naturalezza intervengono infatti molte altre variabili.
Per avere un’idea, uno studio sul tema – Rif. [4] – che prova a definire degli indicatori con la qualità del suono attribuisce agli effetti dovuti alle distorsioni un peso del 30%.
Rif. [4] F. Toole, Sound Reproduction - Loudspeaker and Rooms, Focal Press, 2008, disponibile in download integrale qui
Più della metà del peso è nella sensazione di spazialità del suono che viene creata dall’interazione fra l’altoparlante e l’ambiente d’ascolto. Questa include effetti come la dimensione della scena sonora e l’effetto di immersione. Gli elementi fisici che influiscono su questo aspetto sono da ricercarsi nei rapporti fra la quantità e la qualità del suono proveniente dagli altoparlanti rispetto a quello riverberato dall’ambiente. Senza entrare in troppi dettagli di acustica ambientale, la stanza in cui suona un impianto audio determina alterazioni importanti della risposta in frequenza, attraverso meccanismi differenti fra le basse e le frequenze medioalte. Nelle prime dominano i modi di risonanza della stanza, individuati dalle sue dimensioni; nelle seconde prevale l’effetto delle riflessioni del suono sulle diverse superfici della stanza. Le alterazioni nella risposta in frequenza misurate con un microfono possono superare anche ±10 dB, ma anche qui entra in gioco la psicoacustica, che determina percezioni diverse in base a come è distribuita nel tempo l’energia del suono riverberato, vedi Effetto Haas qui.
Dunque, le misure fisiche, in tutte le loro forme, costituiscono sempre il punto di partenza per capire la realtà che ci circonda, fornendoci indicazioni oggettive. Imparare a interpretare le misure, capire cosa ci dicono e cosa non ci dicono, non può che essere utile per chiunque, riducendo il rischio di incorrere in grossi errori di valutazione.
Domanda: La tua è una ricerca scientifica. È in inglese, lingua sì della Scienza ma non di tutti, ed è stata condotta con strumenti matematici complessi, a maggior ragione non a disposizione dei più. È stata controllata, verificata e avallata da professionisti tuoi pari. È quindi oggettivamente difficile entrarne nel merito. Ma, saltando alle sue conclusioni, il suo approccio scientifico potrebbe eventualmente suggerire a noi semplici audiofili dei “trucchi” o delle migliori pratiche di approccio all’ascolto?
Parolo: Non è facile offrire consigli per gli audiofili che derivano direttamente dal mio studio, dato che occorre disporre delle misure dettagliate dei dispositivi nella catena d’ascolto, normalmente non disponibili.
Più in generale, un primo consiglio è nell’approccio al confronto fra dispositivi. Poiché la memoria acustica non è molto affidabile, è consigliabile eseguire sempre dei confronti diretti, ciechi, in tutta calma, su catene audio su cui si cambia un solo componente, sulle stesse tracce musicali e a livelli controllati di riproduzione. Solo così si possono valutare le eventuali differenze, a volte sottili, fra il comportamento di un dispositivo inserito in una determinata catena, nella quale si possono creare particolari sinergie: le lacune di un componente possono essere mitigate da quelli di un altro. Quindi, non c’è molto di nuovo rispetto alle pratiche comuni in questo campo.
Non c’è nulla di nuovo neanche nel consigliare, riguardo alla parte di amplificazione, di utilizzare per i finali di potenza una soluzione a stato solido, in grado di garantire una maggiore neutralità e capacità di pilotaggio degli altoparlanti rispetto a una basata sulle valvole. È sul preamplificatore che si può giocare di più: a stato solido o a valvole sulla base delle proprie preferenze. Questa combinazione offre in generale un maggiore controllo sulle distorsioni complessive.
La parte che probabilmente può apparire nuova ai meno esperti è che nella catena audio c’è da considerare anche l’ambiente d’ascolto: va curato come qualsiasi altro componente (anzi, anche di più, possibilmente affidandosi a dei professionisti) poiché il suono riverberato influisce pesantemente sulla qualità del suono percepita.
In ultimo, posso suggerire un paio di esperimenti col proprio impianto con i quali si possono verificare alcuni effetti delle distorsioni non lineari:
- inversione della fase delle distorsioni di ordine pari - L’effetto si può sperimentare se il DAC o il preamplificatore consente l’inversione della fase del segnale in uscita. Questa operazione, unita all’inversione del collegamento del positivo col negativo nei cavi verso gli altoparlanti, è ininfluente sulle fondamentali e sulle distorsioni di ordine dispari, mentre inverte tutte quelle di ordine pari.
- cambiamento del mix delle distorsioni - Considerando che le distorsioni non lineari si moltiplicano fra loro quando i relativi sistemi sono connessi in cascata, si può inserire un buon potenziometro fra l’uscita del preamplificatore e l’ingresso del finale. Compensando un aumento di volume sul preamplificatore con un’attenuazione sul potenziometro in modo da mantenere lo stesso volume d’ascolto si può sperimentare cosa avviene aumentando gli effetti distorsivi del preamplificatore.
Naturalmente per capire esattamente le caratteristiche di quanto si ascolta in ogni situazione occorrerebbe eseguire sempre delle misurazioni.
Domanda: Infine, quali consigli pratici, costruttivi, ti sentiresti inoltre in grado di dare ai produttori di amplificazioni audio alla luce della tua ricerca, allo stato attuale della tua conoscenza della problematica?
Parolo: L’obiettivo di cercare di ridurre a livelli di inudibilità le distorsioni non lineari, per lo meno negli amplificatori, può costituire uno spreco di tempo e di denaro, dato che a molte persone piace il suono di certi tipi di distorsione. Va quindi cercata quella giusta quantità e struttura della distorsione che soddisfi le richieste degli audiofili, considerando la variabilità degli elementi nella catena audio. Il risultato della mia ricerca offre al progettista degli strumenti più fini per l’analisi fisica delle distorsioni non lineari che possono aiutarlo in questo compito. Non entra comunque nel merito delle tipologie circuitali, componenti, layout, punti di lavoro etc. che portano ad un certo tipo di comportamento: sta alla bravura del progettista capire come agire sul progetto per ottenere un certo risultato.
Come esperienza personale, posso aggiungere alcuni aspetti che concorrono alla riduzione degli effetti memoria sulle distorsioni, sicuramente già ben conosciuti:
- risposta in frequenza - piatta ed estesa ben oltre la banda udibile
- controreazione - nel caso si utilizzi questa tipologia circuitale, è bene minimizzare la lunghezza del percorso del segnale
- interferenze elettromagnetiche - da evitare agendo sul layout e con schermature
- controllo delle vibrazioni - da ridurre quanto più possibile
In ultimo, ordine e semplicità: sono sempre premianti.
Rif. [4] F. Toole, Sound Reproduction - Loudspeaker and Rooms, Focal Press, 2008, disponibile in download integrale qui
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