Sensibilità dei sistemi di altoparlanti per uso domestico

di MB

5 giugno 2016 rivisto il 15 novembre 2017

Definizioni:

Pressione di picco	(o picco di pressione) è la massima pressione acustica per es. misurata durante la riproduzione.
Livello	Per definizione il livello è pari a 10 volte il logaritmo in base 10 del rapporto tra due quantità di cui una (al denominatore) è presa come riferimento. Il Livello di esprime in decibel. Livello = 10 log10 (A/Ariferimento)
Livello di Pressione	SPL o Sound Pressure Level: è il livello della pressione efficace (o RMS) riferita al livello di pressione standard (20 micro Pascal) SPL = 10 log10 (P^2 /P^2 riferimento) = 20 log10 (P/Priferimento)
Picco SPL (PSPL)	Definito da Olson come: il livello rispetto al quale il 95% del programma musicale rimane al di sotto del picco massimo.
Picco SPL tollerabile (PSPL tollerabile)	è il picco SPL che risulta tollerabile e confortevole per l’ascoltatore (quantità soggettiva)

Secondo uno studio statistico condotto da Olson (oltre 50 anni fa), il 90% delle persone ascolta musica, in ambiente domestico, con PSPL nel punto di ascolto compresi tra 70 e 90 dB (il che significa che per il 95% del tempo i segnale rimane tra 70 e 90 dB).

Questo dato va confrontato con il PSPL che Olson riporta per le performance dal vivo pari a 100 dB. Ne segue che il livello della riproduzione domestica è da 10 a 30 dB inferiore rispetto alla performance dal vivo. Per essere più precisi dovremmo distinguere almeno 2 tipi di programma musicale:

Che possono essere eseguiti nell’ambiente domestico	Strumento singolo o Piccolo gruppo	Può essere riprodotto a livello reale o poco inferiore al livello SPL reale (in ambiente abbastanza grande e con le debite eccezioni)
Che non possono essere eseguiti nell’ambiente domestico	Orchestra ma anche piano a coda, batteria, ecc.	Deve essere riprodotto ad un livello SPL inferiore e anche le dimensioni della sorgente riprodotta dovranno risulteranno ridotte (riproduzione in scala).

La discriminante è la dimensione della “sorgente” in rapporto alle dimensioni del locale. Per superare questo limite si deve necessariamente “eliminare l’ambiente” per esempio adottando un sistema WFS o passando all’ascolto in cuffia.

La riduzione di livello dipende dalle differenze di volume (inteso come spazio) tra l’ambiente ove è avvenuta la performance dal vivo e l’ambiente ove avviene la riproduzione. È del tutto evidente che possiamo invitare Johnny Cash con la sua chitarra a casa nostra e farlo esibire nel soggiorno. Non possiamo, fisicamente, portare in soggiorno una orchestra con decine di elementi.

Le differenze più evidenti tra un auditorium e il soggiorno di casa sono:

il volume dell’ambiente	L’auditorium è più grande (anche centinaia di volte più grande)
Il tempo di riverberazione	Nell’auditorium è più lungo (tipicamente 2-2.5 secondi)
Lo ITG	Nell’auditorium è più lungo (3 o 4 volte più lungo)
Il rumore	Nell’auditorium è basso (anche 20 dB più basso che in casa)

La potenza acustica emessa dalla sorgente si distribuisce nel volume a disposizione. Se si immette un Watt acustico in un ambiente di 56 metri cubi (4x5x2.8) si otterrà un livello SPL di campo riverberato più alto rispetto ad un ambiente di 10000 metri cubi e tale valore più alto sarà raggiunto in meno tempo perché (in un ambiente piccolo) le riflessioni sono più intense e ravvicinate nel tempo.

Volume ambiente	Riverberazione	P acustica immessa	SPL campo riflesso
56 metri cubi	T60=0.61 secondi	1 Watt	114.3 dB
10.000 metri cubi	T60=2 secondi	1 Watt	96.5 dB

L’altra grandezza fondamentale è lo ITG (Initial Time Gap) ovvero il tempo che trascorre tra l’arrivo del suono diretto e l’arrivo della sua prima riflessione. Entro i primi 2 millisecondi di questo intervallo l’apparato uditivo individua la posizione della sorgente. In un ambiente piccolo, come detto, arrivano più riflessioni in meno tempo e quindi l’energia acustica che arriva all’ascoltatore, nell’unità di tempo, è tanto maggiore quanto più l’ambiente è piccolo (e le pareti laterali vicine). In un ambiente domestico l’ascoltatore riceve una dose maggiore di potenza acustica per unità di tempo.

Auditorio	18750 m^3	Symphony Hall di Boston 1900 posti, 18750 m^3. La sorgente produce 10 Watt acustici (
Soggiorno grande	300 m^3	Bastano 0.15 Watt acustici per ottenere la stessa densità di energia
Soggiorno tipico	56 m^3	Bastano 0.028 Watt acustici per ottenere la stessa densità di energia

Sale “a scatola da scarpe”	Altezza m	Volume m^3	T60 secondi	Numero di esecutori	SPL stimato per forte tutti
Haydn Castello di Elsenstadt (Austria)	12.4	6800 400 posti	1.7	16 (6 violini)	84
Castello Esterhaza (Ungheria)	9.2	1583 200 posti	1.2	22 (11 violini)	90
Hanover Square Room (Londra)	8.5	1875 800 posti	1.0	36 (14 violini)	91
Kings Theatre (Londra)	10.7	4550 1050 posti	1.5	57 (24 violini)	92
Dati forniti da Meyer (1978) per l’SPL percepito durante un forte tutti al centro della sala durante l’esecuzione delle opere di Haydn. Si noti come il numero di elementi dell’orchestra venga adeguato alle dimensioni della sala. I tempo di riverberazione è stato misurato a livello della platea.

Per quanto riguarda la localizzazione della sorgente, durante una performance dal vivo essa viene ottenuta tramite la vista mentre, nella riproduzione domestica della sola musica, la localizzazione viene fatta dall’apparato uditivo.

Nella performance dal vivo dominano le sorgenti reali mentre nella riproduzione dominano le sorgenti virtuali.

Durante la riproduzione (senza video) il cervello svolge almeno tre attività:

La localizzazione delle sorgenti	Con almeno due meccanismi diversi in funzione della frequenza
La stima della distanza delle sorgenti	In base alla memoria (ammesso abbia dei riferimenti)
La stima delle dimensioni dell’ambiente virtuale	In base alla memoria (per esempio confrontando i tempi di riverberazione)

Queste attività richiedono, da parte del cervello, una quantità di lavoro: sono onerose e costano fatica. Se le sorgenti sono visibili (sorgenti reali) tutto questo lavoro viene evitato (ci pensa la vista ed il cervello lavora molto meno). Se l’ascoltatore è presente all’esecuzione non deve stimare né la posizione, né la distanza, né le dimensioni dell’ambiente. Ne segue che assistere ad una esecuzione dal vivo è sempre meno e stancante rispetto all’audizione dell’ evento riprodotto.

Ne segue anche che la visione di un DVD è meno affaticante dell’audizione della sola musica.

L’ascolto della musica riprodotta è comunque più affaticante dell’ascolto della musica dal vivo.

(Se la posizione delle sorgenti virtuali è stabile lo è un po’ meno).

Tornando al tema, secondo Olson, il 90% degli utenti ascolta con livelli PSPL nel punto di ascolto di compresi tra 70 e 90 dB. Il rimanente 10% ascolta a livelli più alti o più bassi. Quelli che ascoltano a livelli più alti sono una minoranza della minoranza in quanto devono disporre di un ambiente e di apparecchiature idonee (e quindi anche di maggiori risorse). Diciamo che meno del 10% degli utenti ascolta a PSPL maggiori di 90 dB. I dati riferiti da Olson riguardano gli anni 60 del 1900. All’epoca non esistevano le registrazioni digitali e gli amplificatori oltre una certa potenza erano rari.

Storicamente quello che ha fatto aumentare la potenza degli amplificatori non è stata la richiesta di SPL più alti ma la riduzione della sensibilità dei diffusori acustici avvenuta con l’introduzione dei sistemi a sospensione pneumatica (da parte di AR).

L’introduzione dei sistemi di altoparlanti a sospensione pneumatica ha quindi prodotto quattro effetti:

la riduzione della sensibilità dei diffusori	Che richiede amplificatori più potenti
L’estensione della risposta in frequenza verso le basse frequenze	Che risponde ad una esigenza della misica
La riduzione del volume del cabinet dei diffusori	Che ha consentito la diffusione dell’alta fedeltà allargando la platea degli utenti potenziali.
La riduzione dell’impedenza dei sistemi di altoparlanti (verso i 4 ohm)	Per compensare la perdita di sensibilità e che richiede amplificatori ancora più potenti

Oggi, rispetto al passato, la dimensione media degli ambienti domestici si è ridotta, l’impedenza minima dei sistemi di altoparlanti si è abbassata (spesso sotto 3 ohm) gli amplificatori con oltre 100 Watt su 8 ohm sono diventati “normali”. Come nota certamente positiva si può dire che anche la distorsione tipica dei dispositivi si è ridotta.

Quindi per accontentare il 90% degli utenti si devono fornire sistemi in grado di riprodurre pressioni di picco nel punto di ascolto nell’ordine di 100 dB (con il materiale musicale disponibile negli anno ’60 che era mediamente migliore di quello disponibile oggi -> loudness war). Venendo a tempi più recenti, i dati elaborati da KEF risultano in linea con quanto riferito da Olson. Il riferimento usato da KEF corrisponde ad un SPL di 96 dB in gamma media a due metri dai diffusori.

Grafico proposto da KEF dal quale si ricava la potenza necessaria per ottenere 96 dB SPL a due metri dai diffusori in un normale ambiente domestico. Secondo KEF, con diffusori da 90 dB SPL, sono sufficienti una decina di Watt (o poco più).

Nota: 96 dB nel punto di ascolto a 2 metri dai diffusori vuol dire poco se non si dichiara il fattore di cresta del programma utilizzato. Tanto per fissare le idee diciamo che il dato va riferito a programmi con fattori di cresta bassi (tra 3 e 5).

In generale, per ottenere i livelli indicati da Olson e KEF, sono necessari sistemi di altoparlanti da 90 dB SPL e amplificatori da una decina di Watt su 8 ohm (Opera Prima 2015 con Simply Two). Si parla sempre di ambienti nell’ordine di 20 metri quadri.

L’ing. Renato Giussani riteneva che il picco di pressione massimo, consentito nel punto di ascolto di un ambiente domestico, potesse essere di 113 dB. Questo sposta il limite proposto da KEF 14 dB più in alto (moltiplicando la richiesta di potenza di 25 volte). Nell’esperienza di chi scrive un amplificatore da 50-100 Watt/8ohm, abbinato ad un diffusore da 90 dB SPL, garantisce un buon margine di sicurezza almeno per ambienti fino a 40-50 metri quadri (ma anche oltre).

Nella tabella che segue sono riportati l’SPL e la potenza richiesta da un sistema da 100 dB/2.83Vrms e da 90 dB/2.83Vrms.

Per ottenere la stessa pressione il sistema meno sensibile richiede 1000 Watt che è un valore alto ma, oggi, non impossibile. Ma nemmeno 120 dB a un metro sono un SPL praticabile in casa (oltre 120 è follia). Un sistema di altoparlanti domestico da 90 dB SPL, con 100 Watt, raggiunge i 110 dB SPL (a un metro con un diffusore in funzione) che, in ambiente domestico, è un valore adeguato o sovradimensionato (anche in considerazione dell’effettivo isolamento delle pareti delle abitazioni civili).

È del tutto evidente che, se uno è sordo, sentirà l’esigenza di alzare il volume ma questo avviene perché è sordo lui non perché sia giusto.

Livello SPL	Diffusore SPL=100 dB	Tensione RMS /8ohm	Diffusore SPL0=90 dB	Tensione RMS /8ohm
120 dB	100 Watt	28.28	1000	89.44
110 dB	10 Watt	8.944	100	28.28
100 dB	1 Watt	2.83	10	8.944
90 dB	0.1 Watt	0.894	1	2.83
85 dB	0.0316	0.503	0.316	1.59
80 dB	0.01 Watt	0.283	0.1	0.894
70 dB	0.001 Watt	0.089	0.01	0.283

Dalla tabella si evince che i sistemi ad alta efficienza devono essere utilizzati con amplificatori in classe A (o in classe AB “spinta”). Gli amplificatori in classe A sono i meno efficienti (rendimento teorico massimo = 50%). Abbiamo così l’abbinamento di sistemi di altoparlanti ad alta efficienza con amplificatori a bassa efficienza.

sistema da 100 dB	SPL max = 120 dB	pressione di picco= 123	Con 100 Watt
sistema da 90 dB	SPL max = 110 dB	pressione di picco= 113	Con 100 Watt

Vediamo cosa significa ottenere 110 dB SPL a 1 metro in ambiente in funzione del Fattore di Cresta (FC) del programma musicale:

Sensibilità In dB Del diffusore	Ambiente	T60	FC	Potenza Ampli	Pressione di picco a 2 metri in dB	SPL a 2 metri Un diffusore In dB	Pressione di picco a 2 metro in dB	Spl a 2 metri 2 diffusori
					Un diffusore		Due diffusori
90	12 m^2	0.53 sec	1.414	10W	97	106.4	100-103	109.4
90	12 m^2	0.53 sec	5	10W	97	95.5	100-103	98.5
90	20 m^2	0.61 sec	1.414	100W	97	112	100-103	115
90	20 m^2	0.61 sec	5	100W	107	104	110-113	107
90	40 m^2	0.70 sec	5	100W	107	102	100-103	107
90	60 m^2	0.79 sec	5	100W	107	101	100-103	104

Si noti che il valore della pressione di picco del campo diretto dipende solo dalla potenza dello amplificatore e dalla sensibilità del diffusore mentre non dipende dall’ambiente o dal fattore di cresta del programma musicale. Il livello SPL, con 2 diffusori in funzione, aumenta di 3 dB perché la potenza acustica immessa nell’ambiente raddoppia. Il livello di picco invece aumenta da 3 a 6 dB a seconda delle relazioni di fase tra i gli altoparlanti destro e sinistro. Questi valori vanno confrontati con i 90 dB di picco indicati da Olson ed i 96 indicati da KEF. Come si vede tali limiti vengono superati sia negli ambienti “piccoli” con 10 Watt che negli ambienti più grandi (con 100 Watt). Per ambienti normali, dei diffusori da 90 dB con ampli da 100 Watt garantiscono l’ SPL richiesto.

Il problema, caso mai, è dell’ampli che deve garantire 40 V di picco su qualsiasi carico (infatti si è sempre parlato di sensibilità indipendentemente dall’impedenza dei diffusori acustici).

Chi desidera riprodurre musica con picchi di 130 dB nel punto di ascolto si doterà dei dispositivi adeguati per farlo avendone valutato i rischi e le conseguenze. Ricordiamo che a 148 dB le strutture dell’orecchio collassato.

Ricordiamo anche che, per aumentare la dinamica, ovvero la differenza di livello tra i pianissimo ed i fortissimo, non si deve aumentare il volume ma ridurre il livello del rumore ambientale.

Quello che sarebbe opportuno fare, più ancora che aumentare efficienza o la sensibilità dei diffusori, sarebbe liberare l’utente dall’incubo degli accoppiamenti ampli-diffusore. Ciò si ottiene da una parte scegliendo diffusori che rispettano la normativa per l’impedenza e dall’altra scegliendo amplificatori con un fattore di smorzamento adeguatamente alto (20 è il minimo per ampli a stato solido).

La norma DIN/IEC è molto stringente e ammette una variazione massima del 20% in più o in meno, rispetto al valore dell’impedenza nominale.

Impedenza nominale	Massimo	Minimo	Minimo della parte Reale
4 ohm	4.8	3.2	3
8 ohm	9.6	6.4	6
16 ohm	19.2	12.8	12

I massimi di impedenza non sono generalmente pericolosi per l’amplificatore e, se le rotazioni di fase sono contenute entro una trentina di gradi, è sufficiente rispettare il valore dei minimi di impedenza ed in particolare non scende sotto i 3 ohm per il valore della parte reale (3.2ohm per il modulo). Si ricorda che le protezioni presenti negli amplificatori sono generalmente regolate per limitare la corrente massima su un carico di 2 ohm (che corrispondono ad un modulo di 3.2 ohm con fase di 50°).

La funzione dell’amplificatore

La funzione dell’amplificatore è aumentare (amplificare) la potenza del segnale che proviene dalla sorgente. In ingresso all’amplificatore il segnale equivale a frazioni di millesimi Watt, in uscita si possono avere centinaia di Watt. Quindi, a fronte di un guadagno di tensione pari a circa 40, il guadagno in potenza è di decine di migliaia di volte e, più il carico è basso, più questo guadagno in potenza deve aumentare. L’amplificatore non deve avere alcuna caratterizzazione timbrica: non deve apparire né ”chiaro” né “scuro”, né “veloce” né “lento”, ecc. .Il segnale applicato ai morsetti dei diffusori acustici deve essere la replica del segnale in ingresso all’amplificatore ma con ampiezza maggiore. Nulla di meno e nulla di più. Parlare del suono degli amplificatori è un ossimoro. Poi succede che amplificatori diversi facciano suonare i diffusori in modi diversi. In tal caso non c’è nulla che non possa essere messo in evidenza da un set di misure sensate.

Quello che non si considera quando si parla di amplificatori

Per prima cosa si deve decidere che cosa è (o dovrebbe essere) un amplificatore. I diffusori acustici sono realizzati per essere pilotati da un generatore di tensione ideale. Quindi un amplificatore deve avere le caratteristiche di un generatore di tensione ideale.

La tensione ai capi di un generatore ideale di tensione è indipendente dal carico.

La stesa cosa deve valere per l’amplificatore HiFi.

Affinché ciò avvenga impedenza interna dell’amplificatore deve essere nulla (corrente di cortocircuito infinita, fattore di smorzamento infinito).

Per esempio un amplificatore ideale da 100 Watt continui su 8 ohm, con fattore di smorzamento infinto, eroga:

Carico in Ohm	Potenza in Watt continui	Tensione di picco Volt	Corrente di picco Ampere
16	50	40	2.5
8	100	40	5
4	200	40	10
3.2	250	40	12.5
2	400	40	20
1.6	500	40	25
1	800	40	40

Si capisce al volo che dimensionare un amplificatore per erogare 40 ampere sul carico ha un costo ben diverso che erogarne 10 o 20.

Nella pratica un amplificatore reale ha una impedenza di uscita finita e la potenza erogata non raddoppia al dimezzamento del carico a causa della caduta sui dispositivi finali e della tensione di alimentazione. Possiamo considerare sufficiente un ampli che, al dimezzamento del carico, aumenta la potenza del 40%. Evidentemente c’è di meglio ma ci si può accontentare.

Carico in Ohm	Potenza in Watt	Tensione di picco Volt	Corrente di picco Ampere
8	100	40	5
4	140 (+40%)	33.47	8.36
2	200 (+40%)	28.28	14.14
1	280 (+40%)	23.66	16.72

L’amplificatore della tabella qui sopra garantisce 28.28 Volt per un carico variabile da 2 a 8 ohm. In altre parole è probabile che, con un carico reattivo, il clipping intervenga non a 40 ma a 28.28 Volt.

L’amplificatore rappresentato dalla tabella qui sopra va considerato:

50 Watt	Con carico da 2 a 8 ohm
70 Watt	Con carico da 4 a 8 ohm
100 Watt	Con carico di 8 ohm resistivi

Quindi la potenza dipende dal carico minimo che deve pilotare. Bisogna stare attenti a questo particolare specie quando si cambia amplificatore (per non andare incontro a delusioni).

Va ribadito che la conoscenza della impedenza elettrica del diffusore acustico è essenziale per scegliere l’amplificatore. Gli utenti si dividono quindi in due categorie:

Quelli che cambiano spesso diffusori	Devono acquistare un amplificatore in grado di pilotare qualsiasi cosa quindi potente e adatto a carichi anche molto bassi (molto costoso)
Quelli che cambiano raramente i diffusori	Possono scegliere l’amplificatore in funzione del diffusori (e risparmiare)

L’Unico 100 eroga 500 Watt continui su 2 ohm e va quindi considerato un 125 Watt da 2 a 8 ohm. Ne segue che, se l’impedenza minima del carico vale 3.2 Ohm (come da normativa) l’Unico 100 gestisce sfasamenti nell’ordine di 50° senza difficoltà. Anche gli amplificatori potenti hanno i loro limiti ma questi si manifestano solo nelle effettive condizioni d’uso e possono essere messi in evidenza da determinati diffusori e anche da determinati programmi musicali.

Quindi un amplificatore non va valutato dalla potenza che può erogare ma dalla tensione che può garantire al variare del carico. Questo va fatto in conformità alla definizione di generatore di tensione ideale. Va ribadito che, per l’amplificatore, interessa soltanto il dato di potenza continua. Su intervalli di tempo brevi, le protezioni non fanno in tempo ad intervenire e, nei test, si vedono amplificatori che, sulla carta possono erogare potenze “istantanee” molto rilevanti ma che poi, al lato pratico non suonano come atteso. Infatti, un test su carico resistivo con segnali di durata inferiore a 0.7 secondi, non è conforme alle effettive condizioni d’uso. Anzi ha poco a che vedere con le effettive condizioni d’uso. Questi 0.7 secondi sono il risultato di una statistica basata sullo studio dei segnali musicali. In HiFi non dobbiamo preoccuparci dei valori medi ma dei valori massimi, tanto vale quindi fare riferimento solo alla potenza continua. Il dato di potenza istantanea è fuorviante.

Le altre caratteristiche importanti sono:

- la distorsione di intermodulazione al variale del carico

- impedenza di ingresso

- impedenza di uscita

- sensibilità

- distorsione armonica

- banda passante

- rumore riferiro all’ingresso (non pesato)

- distorsione armonica in funzione della frequenza

-

quelli “poco misurati”

- banda passante in funzione del carico

- banda passante ai grandi segnali in funzione del carico

- slew rate in funzione del carico

- simmetria dello slew rate.

- impedenza di uscita in funzione della frequenza

quelli che non vengono mai misurati sono:

- intermodulazione con la frequenza di rete (reiezione alimentazione)

- distorsione integrale in funzione del carico

- cross-talk tra i canali (al variare del carico)

- reiezione di modo comune

- tempo di intervento e ripristino delle protezioni

Sarebbe interessante misurare anche la risposta in frequenze e la distorsione ad anello aperto ma l’amplificatore va trattato come una “scatola nera” della quale osservare la risposta in funzione dello stimolo senza occuparsi di come è fatto dentro (punto di vista dell’utilizzatore).

La misura di distorsione armonica, in un amplificatore, è poco utile e dovrebbe essere estesa alle armoniche di ordine ben superiore al terzo. Molto meglio una misura di Distorsione Integrale Densa e (visto che si può fare) di un Null Test.

Ricordiamo che la condizione necessaria e sufficiente per l’assenza di distorsione armonica è l’assenza di intermodulazione. La presenza di distorsione armonica di qualsiasi ordine e tasso comporta necessariamente distorsione per intermodulazione.

Anche per gli amplificatori si distingue la distorsione stazionaria e la distorsione di forma. La seconda, in assenza di controreazione, è ben tollerata in presenza di clipping duro è mal tollerata-