Vibrazioni e alta fedeltà

28.02.2018..

Vibrazioni e riproduzione audio

La relazione che lega il fenomeno fisico delle vibrazioni al mondo della musica riprodotta è quanto mai controversa e alcuni degli effetti di questo legame – diretti e indiretti – sono ben noti agli addetti ai lavori: sin dagli albori dell'Alta Fedeltà e anche prima. La vibrazione, intesa come oscillazione periodica che si trasmette da un elemento a un altro immediatamente prossimo, è un fenomeno che governa l'intero universo che ci circonda e lo spazio-tempo. I princìpi delle oscillazioni periodiche regolari e di quelle caotiche sono alla base di molti concetti e teorie sia della fisica classica che quantistica. Senza le vibrazioni non esisterebbe, del resto, nemmeno la musica e, a ben vedere, neppure la vita.

 

Come per l'Universo e la vita stessa, anche per il nostro piccolo campo d'interesse, la musica registrata e riprodotta, la presenza di vibrazioni attorno a noi può portare conseguenze tanto auspicabili quanto disastrose, a seconda della loro entità e del contesto.

Le delicate fluttuazioni d'acqua di una vasca idromassaggio ci regalano relax e rilassatezza, le onde di un maremoto violento possono avere effetti disastrosi. Gli elementi di base, l'acqua e il suo moto, sono i medesimi. Cambiano solo proporzioni e contesto.

Dagli audiofili e da molti autocostruttori, chissà perché le vibrazioni sono viste come il Male Assoluto, responsabili di ogni genere di aberrazione del segnale musicale e quindi un nemico da combattere strenuamente. Ma, come per ogni cosa, il brutto o il buono dipendono da quale direzione vogliamo osservare e dal grado effettivo di conoscenza che abbiamo dell'evento. A volte, anche il pregiudizio e la superficialità con cui prendiamo atto di una cosa fanno sì che si creino luoghi comuni, poi difficili da rimuovere, e ci fanno chiamare bene il male e male il bene.

Andiamo allora a vedere se queste vibrazioni sono veramente così cattive o se è anche possibile scorgere una pacifica e finanche proficua convivenza.

 

Correlazione tra modo vibrazionale e segnale audio

Come dicevamo in apertura, quando si parla di vibrazioni subito si pensa a una forma di inquinamento meccanico che può potenzialmente portare a peggioramenti della qualità del programma musicale, anche se questo si trova ancora nella condizione di segnale elettrico. Come si manifesti poi nello specifico questo tipo di peggioramento, non è ben chiaro, in giro si può leggere più o meno di tutto: dal cambiamento della dinamica all'alterazione del contenuto armonico, alla diminuzione del rapporto segnale/rumore e altro ancora. Vediamo allora qualche esempio specifico in cui il prodotto di questo fenomeno fisico, positivo o negativo che sia, appare ben chiaro anche se spesso ignorato.

 

Il giradischi è, in questo caso, il primo elemento che ci può venire in mente, perché rispetto agli altri componenti della catena risulta notoriamente il più sensibile di tutti al mondo circostante. Se guardiamo attentamente al funzionamento di questi oggetti, almeno per certi modelli classici ormai nella storia, potremo notare che la loro timbrica caratteristica è legata indissolubilmente allo specifico sistema di rotazione impiegato e al tipo di telaio, che sfruttano proprio – non sappiamo se volutamente o per caso – il contributo armonico delle vibrazioni autoprodotte, perfettamente modulate e amalgamate, in giusta proporzione, al segnale musicale estratto dalla testina. Possiamo pensare al sound di uno di questi classici del vinile come a una ricetta ben riuscita, in cui lo chef dosa con attenta misura e dopo molti tentativi, gli ingredienti e i condimenti fino a raggiungere il gusto che cerca. Forse qualcosa di simile facevano pure, ma non possiamo dirlo con certezza, i liutai di un tempo, che mi piace immaginare cercare il suono dei propri strumenti lavorando con cura sui legni, le colle, le corde e i tempi di assemblaggio. E cos'è il colore di uno strumento, nessuno uguale all'altro, se non l'amalgama delle vibrazioni di ogni suo pezzo?

 

In questi due casi, le vibrazioni hanno un ruolo senza dubbio buono.

 

Ma spostiamo la nostra attenzione su un altro paio di esempi. Consideriamo per prima una cassa acustica a sospensione pneumatica di medie dimensioni. Sappiamo dalla teoria che il mobile dovrebbe essere il più sordo possibile per evitare di suonare anch'esso insieme agli altoparlanti e colorare troppo il suono. La cassa chiusa, però, essendo un mobile completamente stagno, è quella più esposta a risuonare per effetto della pressione degli altoparlanti al suo interno, che come è noto, deve essere soppresso completamente. A causa della forte pressione all'interno del mobile – che aumenta al salire del volume sonoro – le pareti della cassa tendono maggiormente a risuonare ed è necessario usare spessori maggiori e strutture interne di rinforzo. Però non può esistere una struttura esente da risonanze, neppure se la facciamo in muratura o in piombo fuso. Possiamo solo spostare la sua gamma di risonanze in una porzione di banda più alta o più bassa, oppure distribuirla su di uno spettro più ampio così da abbassarne l'energia. Tuttavia questi espedienti non eliminano il problema, lo spostano solo altrove.

Nei diffusori acustici l'emissione del mobile è piuttosto dannosa perché va a interferire direttamente con quella degli altoparlanti, causando battimenti e distorsioni.

Nelle casse aperte come i reflex e le linee di trasmissione, le pressioni in gioco all'interno sono inferiori perché sfogano dalle apposite aperture, ma le risonanze dei mobili non sono per questo inferiori, sono solo differenti e agiscono negativamente alla stessa maniera. Qualcuno, prendendo atto che è necessario convivere con le risonanze del mobile, non potendo debellarle, ha pensato che a quel punto le si poteva sfruttare a proprio vantaggio accordando il mobile come uno strumento musicale. Le casse acustiche però non sono strumenti musicali ma debbono riprodurre tutta la musica, ragion per cui bisognerebbe accordare la cassa su tutte le frequenze, cosa chiaramente impossibile, e questa approccio di pensiero è quindi limitante.

I diffusori totalmente aperti a emissione dipolare o a semi-dipolo risolvono alcuni di questi problemi anche se non sono ovviamente privi di altre limitazioni legate sempre alle risonanze proprie, in particolare quelli che usano trasduttori ad alta o medioalta efficienza e largabanda. Venendo meno il controllo da parte del carico del mobile, il cono è lasciato libero di risuonare in lungo e in largo come la membrana di un tamburo. Spesso soffrono di un medio ipertrofico e invadente e di un basso inesistente e quel poco che c'è quasi sempre è legnoso e monocorde. Per questo sono critici nel cercarsi l'ampli giusto e sono costretti a suonare con amplificatori dal fattore di smorzamento pari a zero, che compensano col loro basso sovrabbondante e il medio lontano i limiti di questi sistemi. Ciononostante provo simpatia per questo tipo di diffusori che, se assemblati e tarati con maestria e sensibilità musicale, possono essere tra i sistemi dall'emissione più naturale in circolazione.

Sui diffusori e il loro comportamento vorrei ritornare più avanti con un articolo dedicato e quindi per ora mi fermo qua.

 

In questo caso abbiamo osservato il ruolo negativo delle vibrazioni e la difficoltà nel controllarle. Qualcosa di simile a quanto avviene per i mobili delle casse succede nei gusci dei fonorilevatori: le vibrazioni raccolte dal cantilever e quelle provenienti dai movimenti del braccio – sommate a quelle aeree dei rumori ambientali, musica compresa – raggiungono il guscio che all'interno si comporta grosso modo come il mobile di una cassa, trasferendosi all'equipaggio mobile. Questo, lavorando proprio come trasduttore di vibrazioni – si muove seguendo le oscillazioni dello stilo – prende e somma tutto, senza poter ovviamente, discernere rumore da musica.

 

Come si trasferisce una vibrazione meccanica a un segnale elettrico

Tralasciando i trasduttori elettromeccanici come i microfoni e le testine, che fanno questo per mestiere, quasi tutti gli elementi che lavorano con l'elettricità sono sensibili alle sollecitazioni esterne.

Quando pensiamo a una valvola che viene raggiunta da una vibrazione, temiamo giustamente che il suo funzionamento ne venga disturbato, perché ci immaginiamo che in assenza di quella vibrazione la valvola lavori un una condizione di quiete. Quando invece il suo corpo è costantemente “perturbato” da una miriade di frequenze. Quali? La stessa musica che sotto forma di segnale elettrico la attraversa. Se ad esempio parliamo di frequenza a 440 Hz, possiamo riferirci tanto a un segnale elettrico che alla vibrazione di una corda. Infatti corrente elettrica alternata e vibrazioni meccaniche sono due facce della stessa medaglia e il segnale musicale altro non è che una corrente alternata. La corrente alternata è a tutti gli effetti una vibrazione e quando transita in un corpo, gli trasferisce le sue oscillazioni come fa la corda di uno strumento al legno.

E che succede, se dopo aver pizzicato la corda di una chitarra percuoto la cassa mentre ancora la nota sta decadendo? Che altero il decadimento armonico della corda, perché il colpo dato alla cassa si trasferisce alla corda che ancora sta vibrando, modulandola.

Se applichiamo questo ragionamento alla valvola citata all'inizio, pur se in modo grossolano, possiamo comprendere con quale meccanismo le perturbazioni esterne del suo corpo vadano a modulare direttamente la corrente elettrica che la percorre. Il noto fenomeno della microfonicità ne è l'esempio lampante: se battiamo con l'unghia sul bulbo di una valvola accesa in assenza di musica, sentiremo in altoparlante esattamente il suono del vetro come se fosse un bicchiere. Il rumore sul vetro si trasferisce per via strutturale agli elettrodi interni, che sono attraversati dal flusso elettronico che tiene accesa la valvola e che assomiglia al rumore bianco, il classico soffio della valvola. Gli elettrodi, una volta raggiunti dal rumore, entrano in vibrazione alla sua frequenza e alterano, come avviene alla corda di una chitarra, le frequenze elettriche che vi transitano.

Per effetto dell'amplificazione della valvola qui il fenomeno diviene macroscopico e nettamente osservabile. Per tutti gli altri componenti elettrici di un impianto, attivi e passivi, il rapporto tra grandezza meccanica ed elettrica è molto minore e il fenomeno del trasferimento ha effetti diversi e più difficili da osservare direttamente. Ma non meno importanti, anzi.

Nella realtà la trasformazione di un movimento meccanico in un corrispondente segnale elettrico è un processo abbastanza complesso e rientra nel fenomeno della trasduzione. Esistono materiali, come i piezoelettrici, che hanno la caratteristica di produrre impulsi elettrici come conseguenza diretta a una deformazione meccanica. I pickup e i tweeter piezo ne sono l'applicazione più nota in ambito musicale. Per tutti gli altri materiali, non piezoelettrici, il passaggio è più complesso e attraversa una fase detta effetto termoelettrico.

Esistono specifiche leggi fisiche ed equazioni che regolano il processo di trasferimento e conversione di una frequenza meccanica in una elettrica nelle diverse condizioni, ma non le prenderemo in considerazione in questa sede, perché non ci sono utili nella comprensione fenomenologica dell'evento e renderebbero l'articolo meno scorrevole.

 

Come rispondono alle vibrazioni condensatori, resistenze, trasformatori e cavi

A questo punto abbiamo visto che le vibrazioni esterne possono effettivamente arrivare al segnale elettrico in viaggio dalla sorgente all'altoparlante e modificarlo, non abbiamo però ancora stabilito se questa integrazione, se così possiamo chiamarla, possa essere utile o deleteria.

Penso sinceramente che nessuno sia in grado di stabilire una regola in merito ma soltanto esprimere la propria posizione in base alle sue preferenze e convinzioni. Semplicemente perché non è possibile isolare del tutto gli elementi di una catena dalle sollecitazioni ambientali, ma solo decidere a quale tipo dare la preferenza. Anche se per assurdo, smembrassimo i nostri apparecchi punto per punto, sospendendo elasticamente al soffitto ogni singola resistenza, condensatore, elemento attivo, collegando tutto con del sottilissimo filo di rame e ponendo poi tutto in una camera anecoica, non potremmo comunque impedire che le vibrazioni del suono in aria li raggiungessero.

E se, all'opposto, optassimo per un cabinet sordissimo e pesantissimo di alluminio scavato dal pieno, riempito completamente con una gettata di cemento e resina e poggiato su una lastra sandwich di marmo e piombo, lo avremmo totalmente isolato dai rumori aerei, ma avremmo creato una via preferenziale alle vibrazioni trasmesse per via strutturale, grazie alla elevata rigidità dei materiali. Un po' come avviene per il rumore del calpestio sul pavimento, che si trasmette al piano sotto.

Va da sé che non esiste un materiale solido che isoli totalmente dalle vibrazioni.

 

Alcuni anni fa, nell'ambito della ricerca NTS, iniziai a studiare e catalogare il comportamento dei materiali alle diverse sollecitazioni elettriche e meccaniche. Contestualmente mi interessava verificare una mia teoria sul suono dei materiali. Nei cavi, ad esempio, avevo notato che il timbro era influenzato più che dalla lunghezza e dalla geometria, che pure contano, dal materiale che li costituisce.

 

Vibrazioni e Hi-Fi - Rumore residuo argento

 

Cavi in argento hanno un suono tendenzialmente più chiaro e definito, ma a volte scarno e un po' esile. Quelli in rame OFC mostrano invece un corpo maggiore e toni più caldi e smussati. I cavi vintage in estruso di rame cotto o drogato, come erano i vecchi cavi in solid core, hanno un timbro ambrato e colori tenui oltre a una gamma alta delicata e naturale: senza dubbio tra i più indicati per le valvole e i vecchi stato solido al germanio. Sottoponendo i cavi a diversi stress meccanici, termici ed elettrici e monitorandone il comportamento, è emerso che questi rispondevano generando rumore elettrico in un range di frequenze ristretto e specifico in base al materiale del cavo, rumore che va a sommarsi al segnale elettrico in transito. Argento e ferro erano caratterizzati da emissioni a frequenze dello spettro medioalto-alto, mentre il rame bi-cotto, il tungsteno, l'oro, erano maggiormente attivi a frequenze basse e mediobasse.

Ma, come abbiamo visto, anche la corrente alternata del segnale, quando circola nel cavo e in qualsiasi altro materiale conduttore o semiconduttore, lo mette in agitazione meccanica e termica, innescando rumore termoelettrico nello spettro tipico del materiale in questione. I due effetti agiscono ovviamente in maniera congiunta.

 

Il principio appena descritto vale per tutti i materiali conduttivi e dielettrici in diversa misura e, analogamente, anche il comportamento di elementi passivi come condensatori, resistenze e trasformatori subisce la stessa influenza, ma in modo più complesso: vediamolo in sintesi.

 

Condensatori - di vario tipo

I più sensibili alle sollecitazioni sono quelli “umidi”, come gli elettrolitici e i carta-olio: questo tipo di dielettrico si riscalda di più al salire della frequenza, generando una quantità di rumore termico maggiore e su uno spettro più ampio. Un efficace sistema di riduzione del rumore, almeno indotto esternamente, consiste nel fissaggio e appesantimento del corpo.

 

Vibrazioni e Hi-Fi - Effetti sul condensatore

I condensatori non polarizzati secchi, come gli MKT, i poliestere e polipropilene, sono meno sensibili alle vibrazioni, se non a quelle che ricadono nella frequenza di risonanza del loro corpo, frequenza che varia a seconda della dimensione del condensatore e da non confondere con il valore f. di risonanza elettrica.

 

Resistenze

Essendo componenti in genere compatti e semplici nella struttura, hanno emissione di rumore concentrata in uno spettro abbastanza ristretto. Le meno silenziose sono notoriamente quelle vecchio, tipo quelle a impasto di carbone, con una rumorosità interamente nella gamma medio-bassa bassa.

 

Vibrazioni e Hi-Fi - Rumore termico resistore

 

Ma guarda caso sono considerate anche le meglio suonanti… un po' come per le valvole microfoniche. Ovvio comprendere che il motivo della loro piacevolezza sta proprio nella maggiore rumorosità in una banda di frequenze riconosciuta dal nostro orecchio come gradevole. La rumorosità qui è riferita al passaggio di corrente e quindi autoprodotta, mentre a livello di vibrazioni dall'esterno sono alquanto refrattarie un po' tutte.

 

Trasformatori di uscita - finali e di linea

Quelli di alimentazione non hanno motivo di essere considerati, essendo per loro natura essi stessi generatori di vibrazioni e lavorando alla sola frequenza dei 50 Hz di rete.

Per quelli di uscita valvolare e quelli interstadio le vibrazioni più dannose sono quelle ovviamente strutturali, che arrivano attraverso il telaio e raggiungono l'avvolgimento. In questo caso una soluzione elastica è quella che dà i migliori risultati. Per le vibrazioni aeree risultano invece abbastanza sordi.

 

Cavi di potenza

I cavi di potenza, diversamente da quelli di segnale, meritano una menzione a parte perché, lavorando con potenziali e correnti ampiamente superiori – e oltretutto variabili – rispetto a quelli di linea, mostrano reazioni molto differenti al transito elettrico e alle vibrazioni esterne. Abbiamo già visto che un elemento in cui scorre corrente alternata non si trova in condizione di quiete ma tende a riprodurre sotto forma di vibrazione meccanica, entro certi limiti che dipendono dalla sua struttura, il segnale che lo attraversa. L'energia di questo prodotto meccanico è direttamente proporzionale all’intensità del voltaggio e della corrente che scorre nel conduttore, che nei cavi di potenza dipende dal volume di ascolto. In pratica, più cresce il volume più crescono voltaggio e corrente nel cavo e di conseguenza la sua vibrazione strutturale sale. Dal punto di vista fisico questo evento è legato al maggior carico di lavoro – la cassa per suonare più forte assorbe più potenza – e vale per molte situazioni non per forza simili come contesto.

Un’evidente rappresentazione di questo fenomeno lo si può osservare nei trasformatori dei finali di una certa potenza, che al momento dell'accensione emettono un sonoro rumore meccanico come se subissero uno scossone: ciò è dovuto allo spunto di corrente iniziale, che letteralmente smuove la struttura del trasformatore, e anche nel normale uso questi trasformatori ronzano di più rispetto a quelli più piccoli, proprio perché lavorano con carichi maggiori. Se a qualcuno è poi capitata la sfortunata condizione di trovarsi con un canale dell'ampli in corto, avrà notato che il trasformatore vibrava molto in quel frangente, perché il forte carico dovuto al corto aumenta moltissimo lo sforzo elettromeccanico e fa salire subito la sua temperatura: il famoso effetto termoelettrico di cui sopra.

Altro esempio, molto diverso per contesto ma simile come effetto, è la maggiore rumorosità del motore dell'auto in fase di partenza o in salita, quando il carico di lavoro aumenta e la dissipazione meccanica cresce. Anche la temperatura sale in funzione dello sforzo – succede anche per gli esseri viventi – e poiché l'aumento di temperatura è legato sempre alla vibrazione interna che aumenta, per dirla in modo semplice e conciso, è facile capire, tornando ai nostri cavi, che per essi il discorso vibrazioni è alquanto “caldo”.

In questo caso però, essendo il rapporto in termini di dBm tra vibrazione autoprodotta e vibrazione ricevuta dall'esterno piuttosto grande, l'effetto di quest'ultime sul segnale che vi scorre è alquanto risibile. Molto maggiore è invece il contenuto vibrazionale autoprodotto che giunge direttamente alla struttura meccanica dell'ampli, essendo i cavi solidamente fissati alle due estremità, all'ampli da un lato e alla cassa dall'altro, e qui abbiamo tutti presente il rudimentale interfono che da piccoli ci fabbricavamo con una corda tesa e due lattine di Coca Cola vuote. Ed è questo a far sentire il suo effetto, per cui se il cavo è lasciato a terra o poggiato su parti rigide avviene un'amplificazione per via strutturale, mentre se viene sospeso elasticamente e lasciato morbidamente libero di oscillare, potrà dissipare in aria le sue oscillazioni in modo naturale, senza che arrivino al telaio dell'ampli, se non in minima parte.

 

In conclusione

Penso che quello delle vibrazioni sia un terreno abbastanza interessante ove muoversi, anziché soltanto un inestetismo sonoro da curare. Sicuramente le vibrazioni non controllate possono causare deterioramenti non prevedibili al suono, però anche la loro totale dipartita, ammesso sia possibile, porterebbe con sé un discreto decremento, almeno nella godibilità del suono di certe macchine.

Le vibrazioni cicliche, quelle regolari e temporalmente costanti, sono quelle che danno carattere personale al suono di un’elettronica. Penso a certi giradischi a puleggia entrati nella storia, che debbono il proprio timbro alla voce della loro ruota gommata. O al sound tipico di certi reel to reel, in cui la meccanica di trascinamento “fa sentire” il suo suono caratteristico imprimendolo al nastro.

Ho sentito giradischi talmente estremizzati nel concetto di lotta alle vibrazioni da non riuscire nemmeno più a riconoscergli un’identità analogica, avevano un suono scarno rarefatto e asettico. Molto più vicino al digitale. Quando sa troppo di digitale.

di Gennaro Muriano
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