SPL di picco in Ambiente

(Potenza necessaria per 113 dB di picco in ambiente a 2 metri)

(FA_SPL_in_ambiente_picco.htm)

di Mario Bon - 1 gennaio 2016 e rivisto 19 marzo 2021

Secondo Olson (…60 anni fa), un programma musicale che, dal vivo, registra un livello SPL di 100 dB, viene riprodotto, in ambiente domestico,

- a 80 dB dalla maggioranza degli ascoltatori.

- a 90 dB da una parte significativa degli ascoltatori (nel punto di ascolto)

- Una minoranza (statisticamente irrilevante) oltre 90 dB.

Quindi il programma musicale, di norma, viene riprodotto ad un livello più basso di 10-20 dB rispetto all’evento dal vivo. A questo dato, che ricorre frequentemente in letteratura, va aggiunto il dato sul rumore di fondo degli ambienti domestici che, sempre secondo Olson, è, in media, di 43 dB. Va tenuto presente che, un tono sinusoidale risulta distinguibile anche se il suo livello è 10 dB sotto al livello di rumore. Per un programma musicale, purtroppo, questo assunto non può essere considerato valido.

Il livello del rumore ambientale è il fattore che maggiormente condiziona la percezione dei “segnali deboli”. È imperativo ridurre quanto possibile il rumore ambientale. Il valore ideale è attorno o inferiore a 25 dB. Con il livello di rumore ambientale a 30 dB ed un livello della riproduzione a 80-90 dB la dinamica permessa raggiunge 50-60 dB. Ricordiamo che, per quanto riguarda il calcolo del tempo di riverberazione, un suono viene giudicato estinto quando risulta attenuato di 60 dB rispetto allo stimolo.

Ma se il cross-talk tra i canali è –60 dB, il rumore ambientale è a –60 dB e la distorsione è a -60 dB, la somma di questi tre contributi uguali, considerato tra loro non correlati, produce un incremento di 9 dB e il livello di “disturbo” e la dinamica si riduce di altrettanto. Sulla base di questa osservazione il cross-talk , la distorsione ed il rumore di fondo dovrebbero trovarsi a meno -71 dB. Il cross-talk tra i canali in genere sta almeno a -80 dB e lo possiamo anche trascurare. La distorsione dei migliori sistemi di altoparlanti si colloca tra -50 e -60 dB. Il contributo più rilevante è così costituito dal rumore ambientale e su questo conviene agire.

Qui a fianco è rappresentato, nella prima colonna, la pressione di picco (giallo) ed il livello SPL (rosso) di un ipotetico evento dal vivo. L’evento viene registrato applicando una certa compressione che riduce il fattore di cresta (CF). Nella riproduzione domestica, se si tenta di riprodurre i picchi di pressione allo stessol livello dell’evento dal vivo, si aumenta il valore SPL ottenendo una riproduzione innaturale (con SPL maggiore rispetto all’evento dal vivo). Al massimo ci si deve accontentare di riprodurre il livello SPL. La riproduzione avviene in un ambiente più piccolo e con ITG inferiore quindi è opportuno ridurre il livello SPL di una decina di dB (almeno). Ciò consente di mantenere 60 dB di dinamica anche in presenza di 30 dB di rumore di fondo (blu). Appare evidente che, per ricostruire una dinamica decente, si debba intervenire sul rumore di fondo.

Negli auditori, teatri e studi di registrazione il livello del rumore di fondo viene mantenuto attono 25 dB. Un livello così basso consente di percepire i dettagli della registrazione anche se riprodotta ad un livello SPL di 80-85 dB. E’ stato valutato che, nella esecuzione delle opere di Haydn, un “forte tutti”, al centro della sala, produceva 87 dB (e in effetti a teatro si sente chiaramente qualsiasi rumore prodotto in platea). Ai concerti di Vasco Rossi o dei Megadeath la situazione è diversa: il livello SPL è più elevato e il fattore di cresta più basso. Attenzione però perché, più il fattore di cresta è basso, e più l’ascolto ad alto volume diventa affaticante. Una buona educazione musicale vuole che ci si abitui ad ascoltare a volumi che non comportino rischi per la salute dell’apparato uditivo quindi, prima di alzare il volume, abbassate il rumore di fondo.

Non si può parlare di riproduzione ad alta fedeltà quando il rumore ambientale è troppo alto. L’esempio eclatante è rappresentato dalla riproduzione della musica e del parlato in automobile. In automobile i programmi con un fattore di cresta elevato (tipo musica classica) sono inascoltabili perché i pianissimo sono coperti dal rumore ambientale (forse le cose cambieranno con le auto elettriche). Al contrario le registrazioni molto compresse e/o sovramodulate si sentono “meglio” proprio perché la dinamica è stata compressa e il fattore di cresta è basso. La stessa musica che si sente “bene” in automobile risulta inascoltabile su un impianto stereo decente. Un ambiente rumoroso, per favorire un minimo di intelligibilità, richiede una sostanziosa riduzione della dinamica del programma musicale che si accompagna inevitabilmente ad una scarsa qualità della riproduzione.

Con una coppia di diffusori di sensibilità pari a 90 dB e un amplificatore da 100 Watt si ottengono 113 dB di pressione di picco (suono diretto) nel punto di ascolto posto a 2 metri (cui andrà a sommarsi il contributo del suono riflesso). 113 dB di picco corrispondono a circa 90 dB SPL con programmi musicali con fattore di cresta inferiori a 15 (23.5 dB)

Vediamo come si ottiene questo risultato. Partiamo da alcune evidenze:

· il suono diretto, quello che giunge nel punto di ascolto direttamente dalla sorgente senza subire riflessioni, è sempre lo stesso in qualsiasi ambiente (anecoico, riverberante, domestico).

· Il livello SPL del campo riverberato dipende dall’ambiente. Nel punto di ascolto il livello totale è dato dalla sovrapposizione del suono diretto e del suono riverberato quindi, nel punto di ascolto, il livello totale è sempre superiore (tranne molto vicino alla sorgente) rispetto al livello SPL del solo suono diretto

· Nei programmi musicali il rapporto tra il valore della pressione di picco ed il livello SPL si chiama “fattore di cresta” o CF (Crest Factor)

· Il livello SPL si riferisce al valore efficace della pressione sonora. Per un tono sinusoidale puro il valore della pressione di picco è 3dB superiore al valore SPL (fattore di cresta = 1.414)

· Con due diffusori in funzione la potenza acustica aumenta di 3 dB mentre il valore di picco della pressione aumenta di 6 dB ma solo se i due diffusori sono perfettamente uguali ed in fase, riproducono lo stesso segnale (monofonico) e si trovano alla stessa distanza dal punto di ascolto.

Dato che queste condizioni non sono sempre tutte rispettate, quando di valuta la pressione di picco prodotta da due diffusori, si introduce una incertezza di 3 dB. Quindi se un diffusore produce 93 dB di picco, due diffusori producono 96-99 dB di pressione picco (e si assume come stima il valore di 96 dB).

Si noti che si parla di livello SPL e di pressione di picco. Non ha senso parlare di SPL di picco. Infatti il livello SPL è il valore efficace della pressione sonora (e si calcola su un intervallo di tempo) mentre il picco è un valore di pressione istantaneo. Se un picco non dura per un tempo sufficiente non viene percepito e questo rende tollerabile una certa quantità di distorsione di forma (il clipping “morbido” tipico degli amplificatori a valvole).

Nel seguito, per semplicità, si fa riferimento a toni puri quindi la pressione di picco viene valutata 3dB superiore al livello SPL.

Si parte dalla sensibilità del singolo diffusore misurata a 1 metro con 2.83Vrms	90 dB	Questo dato di trova nei test pubblicati dalle riviste. A volte il dato fornito dai produttori è sovrastimato. Conta la sensibilità in gamma media.
Si somma l’aumento di SPL dovuto all’amplificatore. Per 100 Watt si sommano 20 dB	90+20=110	Amplificazione = 10 Log10(potenza) 10 Watt -> +10 dB 20 Watt -> +13 dB 100 Watt -> +20 dB
Due diffusori in funzione	113 dB	La potenza raddoppia quindi si sommano 3 dB
Si sommano 3-6 dB per il valore di picco	116-119 dB	Per quanto detto prima
Si sottraggono 6 dB per passare da un metro a 2 metri di distanza	110-113 dB	Per ogni raddoppio della distanza il livello SPL decresce di 6 dB SPL = 20 Log10(distanza1/distanza2)
Questa è la stima della pressione di picco nel punto di ascolto a 2 metri con due diffusori in funzione per il solo suono diretto

Al suono diretto va poi sommato il contributo del suono riflesso.

Va ribadito che la sensibilità dei diffusori non deve essere quella che si legge nei depliant o quella misurata con iPhone, ma quella che si legge nei test ovvero un dato misurato con apparecchiature calibrate in campo libero (si vedano per esempio i test pubblicati dalle riviste Audio Review, Stereophile, Soundstage).

Le riviste tedesche (tipo Stereoplay) misurano 3 dB in meno (fanno la misura con stimoli di 2 Vrms anzichè 2.83 Vrms) quindi si deve porre attenzione a come viene misurata la sensibilità. I valori misurati da Audio Review (da Gian Piero Matarazzo) sono affidabili e in linea con quelli misurati da StereoPhile e Soundstage.

La tabella che segue mostra quanta potenza è necessaria per ottenere la stessa pressione di picco con diffusori di sensibilità diversa. Si intende che il diffusore in oggetto sia a norma ovvero con minimi del modulo dell’ impedenza non inferiori a 3.2 ohm e che l’amplificatore sia in grado di erogare, su 4 ohm nominali, almeno il 60% in più rispetto alla potenza che eroga su 8 ohm (per esempio 100 Watt su 8 ohm, 160 su 4).

In queste condizioni i livelli in tabella variano al massimo di 1 dB. Nella tabella si è assunto il valore massimo della pressione di picco pari a 113 dB.

Sensibilità del diffusore A 1 metro 2.83Vrms	Pressione di picco a 2 metri	Potenza continua dell’amplificatore Watt/8ohm	Livello SPL con programma musicale (*) a 2 metri
81 dB	113 dB	800	99-103 dB
84 dB	113 dB	400	99-103 dB
87 dB	113 dB	200	99-103 dB
90 dB	113 dB	100 (riferimento)	99-103 dB
93 dB	113 dB	50	99-103 dB
96 dB	113 dB	25	99-103 dB
99 dB	113 dB	12.5	99-103 dB

(*) Nell’ultima colonna è riportato il valore del livello SPL (sempre per il suono diretto) ottenuto con programmi musicali con fattore di cresta compreso tra 3 e 5. Il dato nell’ultima colonna va confrontato con il livello del rumore ambientale. Anche con un rumore ambientale di 40 dB restano una sessantina di dB di dinamica. Con la musica classica il fattore di cresta arriva a 10 o 20 (20-26 dB) quindi è richiesto un ambiente più silenzioso anche se il fattore di cresta del suono percepito nel punto di ascolto, in un ambiente chiuso, è sempre minore del fattore di cresta del segnale registrato che è sempre inferiore al fattore di cresta del solo suono diretto. Più il rumore di fondo ed il tempo di riverberazione dell’ambiente sono bassi e tanto più il fattore di cresta percepito si avvicina a quello della registrazione. Resta il fatto che l’ascoltatore non sa se, in fase di registrazione, il programma musicale sia stato compresso e quanto. Solo in rari casi il fattore di cresta della registrazione è pari a quello dell’evento originale.

Regole pratiche

Valgono le seguenti “regolette” pratiche:

- per ogni 3 dB richiesti in meno -> dividere la potenza dell’amplificatore per 2

- per ogni 3 dB richiesti in più - > moltiplicare la potenza dell’amplificatore per 2

- una variazione di un dB richiede una variazione della potenza del 26%.

- per ogni raddoppio della distanza sottrarre 6 dB

- per ogni dimezzamento della distanza sommare 6 dB

- per passare da 2 a 3 metri sottrarre 3.5 dB (suono diretto)

Si tenga presente che una variazione di livello di 3 dB viene giudicata soggettivamente come "appena percepibile" mentre una variazione di 10 dB viene giudicata soggettivamente come "il raddoppio del volume".

Poi ci sono persone più allenate capaci di distinguere variazioni di livello inferiori ai 3 dB. Difficilmente si distingue meno di un dB (in realtà si può percepire anche una differenza di 0.1 dB ma solo con rumore rosa ed iin particolari condizioni).

Ne segue che, per sentire una differenza marcata, si deve almeno raddoppiare (o dimezzare) la potenza dell’amplificatore o aumentare (diminuire) la sensibilità dei diffusori di 3 dB. In buona sostanza la differenza tra un diffusore da 90dB rispetto a uno da 89dB (ammesso che abbiano la stessa risposta in frequenza) non è facilmente avvertibile. La differenza tra un diffusore da 87 e uno da 90 dB è avvertibile quasi da tutti.

Quando si ascoltano dei diffusori in commutazione rapida c’è sempre il modo di far sembrare “migliore” quello che suona più forte. Qualsiasi confronto va quindi fatto a parità di livello SPL. Se poi, affinché un diffusore, richiede più potenza dell’altro per arrivare allo stesso SPL è un’altra questione. Qui stiamo parlando di suono e non della potenza necessaria per ottenerlo.

Quanto detto fin qui si riferisce, in generale, alla percezione del "volume sonoro" o loudness.

La percezione della variazione del timbro è una cosa diversa: per percepire una variazione di timbro bastano variazioni, nella risposta in frequenza, localizzate in certi intervalli di frequenze anche di decimi di dB (con rumore rosa o con il suono del pianoforte). Tanto più ampia è la banda di frequenze soggetto alla variazione, tanto più piccola è la variazione percepibile. Per esemplificare una variazione di 1 dB su un singolo terzo di ottava è difficilmente udibile. Una variazione di meno di un dB sulla decade centrale (200-2000 Hz) è facilmente udibile. Le variazioni di timbro si percepiscono più chiaramente con il rumore rosa a larga banda (20-20000Hz) e con il suono del pianoforte. Quando di eseguono test di confronto tra diffusori oltre che equiparare i livelli con la massima attenzione, è necessario eseguire commutazioni molto rapide (la soluzione migliore è utilizzare un commutatore a relè pilotato dal telecomando).

Massimo livello SPL o pressione di picco sopportabile senza danni

Secondo alcuni, il programma musicale deve essere riprodotto, in ambiente domestico, allo stesso livello dell’evento reale. Altri sostengono che non sia opportuno andare oltre 113 dB di picco. Chi scrive sa bene cosa fare….tutti gli altri si regolino secondo il proprio gusto e la propria sensibilità. Ricordiamo alcune cose:

- la prima avvisaglia del raggiungimento dei limiti di massima pressione è la “sensazione tattile” (in sostanza sembra di avere qualche cosa dentro all’orecchio)

- oltre la “sensazione tattile” c’è il dolore (a circa 120 dB)

- superare la soglia del dolore può causare acufeni permanenti

- a circa 150 dB le strutture muscolari collassano (sordità totale irreversibile)

- i danni alle cellule ciliate sono irreversibili

- basta un singolo evento traumatico per danneggiare irreparabilmente l’apparato uditivo

- le orecchie sono le tue e non sono disponibili orecchie di ricambio.

Se dopo aver assistito ad un evento si sentono “fischiare le orecchie” e/o si soffre di ipoacusia, significa che si è superato il limite di esposizione. La prima volta “fischi” e ipoacusia passano in poco tempo (almeno 15 minuti), la seconda ci vuole di più… viene il momento che la condizione normale non viene più ristabilita: resta l’ipoacusia (sordità) e i “fischi” diventano “acufeni soggettivi permanenti”. Auguri.

La prima cosa da fare, quando si rimane esposti ad eventi acustici traumatici, è recuperare la condizione normale evitando di esporsi a suoni troppo forti. La cosa peggiore da fare è sottoporsi a nuovi traumi prima di aver recuperato la condizione normale.

Chi dice di essersi abituato ai suoni forti in realtà è già "mezzo sordo". Ai suoni forti non ci si abitua. Parafrasando una famosa canzone: "Il fiume è profondo, le montagne sono alte ed esponendosi a suoni troppo forti si diventa sordi".

La dinamica dell’orecchio umano

Le curve isofoniche partono da 0 dB (soglia di udibilità) e salgono fino a 120 dB (soglia del dolore). Sembrerebbe che la dinamica dell’apparato uditivo fosse di 120 dB. Non è così. Quando si ascoltano segnali al livello della soglia di udibilità l’orecchio applica una amplificazione di 30-40 dB (detta amplificazione cocleare). Appena il segnale aumenta di livello questa amplificazione viene spenta. Quindi, quando si ascolta musica, la dinamica non è di 120 ma di 80-90 dB. Considerato che è bene tenersi a distanza dalla soglia del dolore, la dinamica fruibile è nell’ordine di 80 dB.

Si capisce allora perché negli studi di registrazione il rumore di fondo sia mantenuto sotto i 30 dB in pratica, in presenza di segnali udibili, tale rumore diventa non udibile (lo sarebbe solo grazie all’amplificazione coclearie che però è spenta).

Va ribadito che, in un paese libero e democratico, ciascuno può decidere di fare quello che vuole anche di sottoporsi a picchi di 140 dB. Provate a chiedere ad un otorinolaringoiatra cosa ne pensa.

Si può anche pensare che per ottenere bassa distorsione il sistema debba essere capace di raggiungere livelli SPL molto più elevati di quelli richiesti (sistemi sovradimensionati). Non è vero: il sistema deve produrre distorsione tollerabile sul lungo periodo (quattro ore) o non udibile nelle effettive condizioni d’uso.

Le condizioni d’uso comprendono anche il genere musicale preferito e la musica country e la musica per organo presentano caratteristiche ed esigenze diverse. Va anche considerato che l’ascolto della musica riprodotta senza la contemporanea visione delle sorgenti reali (i musicisti che suonano) è comunque affaticante e, ad un certo punto, interviene la “fatica da ascolto”.

Dinamica effettivamente disponibile durante l’ascolto musicale. Almeno 30 dB vengono a mancare perché l’amplificazione coclearie viene “spenta”. 10 dB vengono sacrificati per tenersi a debita distanza dalla soglia del dolore. Con un rumore ambientale di 40 dB la dinamica percepibile è di 70 dB.