parte terza 
CONSIDERAZIONI SUL  SEGNALE AUDIO 
 
 

Il "segnale audio" è un programma autonomo (es. registrato su compact disc o su nastro) o costituisce la colonna sonora di un programma più complesso (es. un film). Oggi nella maggior parte dei casi il segnale audio è stereo. Tuttavia vi sono ancora segnali audio mono (es. la pista normale -non Hi-Fi- del VHS). e quindi inizieremo da questo. Passeremo successivamente alla stereofonia e al Surround, ormai destinato a divenire la colonna sonora tipica del mondo multimediale (es. sui videodischi). 

Vediamo per prima cosa (molto velocemente) quali sono le caratteristiche principali del suono, rimandando a più tardi altre analisi più approfondite. 
 

cenni alla denominazione delle onde 

Qualunque onda (sia essa un'onda elettrica, sonora, o del mare) è caratterizzata da una lunghezza fisica, da un'ampiezza e da una frequenza. Il disegno illustra chiaramente a cosa corrisponde la lunghezza d'onda (è la dimensione fisica dell'onda) e la sua ampiezza (la distanza tra la sua cresta e il punto più basso). Impossibile disegnare sulla carta la frequenza, ma anche questa è facilmente intuibile: rappresenta il numero di onde che arrivano, partono o passano in un certo tempo. La frequenza indica quindi semplicemente "quanto sono frequenti" le onde in un certo periodo. 

Il numero delle onde ogni secondo viene chiamato Hz.   

esempi: se vi sono dieci onde al secondo si hanno 10Hz, se abbiamo 12.500 oscillazioni al secondo abbiamo 12.500 Hz. 
 

cenni alla natura del suono 

Il suono consiste in una serie di compressioni e decompressioni di un mezzo di trasmissione (di solito l'aria) percepibile dall'orecchio umano. Le compressioni simili ma con frequenza troppo bassa per essere captati dall'orecchio umano vengono detti infrasuoni, e quelle con frequenza troppo elevata per essere percepiti dall'orecchio umano sono chiamati ultrasuoni. La gamma di suoni udibile viene considerata da circa 16 a 20.000 Hz, ovvero a partire da dieci vibrazioni al secondo fino a circa 20.000 vibrazioni al secondo. Ma molti uomini "sentono" una gamma di suoni molto più ridotta (possono arrivare anche a meno di 10.000 Hz). 
 

La velocità del suono 

La velocità del suono varia a seconda di diversi parametri, tra cui vi è la natura del mezzo in cui scorre (aria, acqua...) e della temperatura. Per avere un'idea approssimativa della sua velocità, diremo che: 

il suono a zero gradi centigradi (Celsius) viaggia a circa 331,45 metri/secondo, con un incremento di 0.5 m/sec al salire di ogni grado di temperatura.  

esempio: il suono nell'aria e a 20C si propaga a circa 341 m/s, (20 gradi= circa 10 m/sec oltre i 331,5 m) ovvero a oltre 1.230 Km all'ora.  
 

Siccome sia le frequenze molto elevate (oltre 10.000 vibrazioni al secondo) che quelle basse (poche oscillazioni al secondo) viaggiano alla stessa velocità, quelle acute devono "stare più strette" nella stessa unità di tempo, per poter stare più numerose; e quindi sono fisicamente più piccole. Quindi: 

le onde basse sono molto più grandi di quelle acute.  

Quelle acute hanno una frequenza maggiore di quelle basse. 

Siccome man mano sale la frequenza (=il numero di vibrazioni al secondo) scende la lunghezza d'onda (= le dimensioni dell'onda) può quindi scrivere la relazione seguente: 

La frequenza di un suono è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda.  

Questa regola non manca di portare a delle conseguenze pratiche. 

Il fatto che le onde basse siano di grandi dimensioni è un fatto che comporta notevoli grattacapi all'installatore professionale di impianti audio o Dolby Surround. Questo sopratutto per due motivi: 

1-le onde di grandi dimensioni hanno bisogno per svilupparsi di un grande spazio. In una stanza piccola (ad esempio, di tre metri per tre) è possibile udire un'onda di grandi dimensioni (ad esempio, di sei metri). Ma -per così dire- quest'onda non può avere la qualità che si ha in una stanza grande, perchè fisicamente l'onda è in qualche modo "ripiegata su se stessa", vi sono le compressioni e le decompressioni dell'aria, naturalmente, ma la qualità del suono risente delle riflessioni delle pareti. 

2-Il problema più importante sorge quando si vogliono fare assorbire delle onde e delle risonanze che sorgono alle basse frequenze. Qui arredare l'ambiente non serve, perchè delle onde lunghe metri e metri non sono assorbite da una moquette o da uno scaffale. Servono degli oggetti che "rompano" l'onda con dimensioni adeguate. 

E' interessante notare che vi sono dunque dei materiali che assorbono certe frequenze, e lasciano libera delle altre. Il che significa che in un cinematografo (anche se studiato per il Dolby) come a casa nostra, non si riproducono le frequenze con la stessa proporzione tra loro, ma esse vengono "alterate" nel loro volume reciproco, proprio perchè alcune di esse sono riflesse ed altre invece assorbite. Ne consegue che ogni ambiente "partecipa" alla generazione del suono, e vi incide pesantemente, molto al di là dei dosaggi che vengono studiati in sede di registrazione o di mixaggio. Sono cose molto difficili che qui possono solo essere accennate. Tuttavia si tenga conto che vi sono diversi metodi per correggere

 
 
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Ogni onda può essere definita da diversi parametri, alcuni dei quali (es. lunghezza d'onda) fanno capo alle sue dimensioni fisiche, altri dalla sua natura e da parametri quali la sua velocità di propagazione e dalla sua frequenza.   

I parametri fisici più importanti sono la "lunghezza d'onda" e l'ampiezza.   

La lunghezza d'onda è la lunghezza fisica dell'onda, misurata tra cresta e cresta o dal punto minimo al punto minimo o (più frequentemente) dal punto medio tra la cresta e il punto più basso. E' dunque una misura che si esprime in metri, cm, eccetera. In molti casi (nel caso del suono, della luce e delle onde radio ...) la lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla frequenza, nel senso che più l'onda è lunga, più impiega a passare, a propagarsi, e quindi le onde passano con minor frequenza di quelle più piccole.   

L'ampiezza è invece la distanza tra il punto più basso e quello più alto. Nella figura qui a fianco si vede in alto un'onda meno ampia di quella disegnata più in basso. L'onda più in basso ha un volume maggiore di quella sopra. Questo è intuibile: un'onda piatta corrisponde alla mancanza di suono, più l'onda è grande, maggiore è l'energia sonora.

 
 
 
gli ambienti che introducono delle alterazioni sgradevoli. Questi metodi vanno dalla correzione del segnale (es. con equalizzatori) fino alla correzione dell'ambiente cambiandogli fisicamente la forma. Occorre anche aggiungere (come ultima cosa) che non ostante l'ambiente alteri in modo enorme il rapporto naturale tra acuti e bassi, non sempre questo va corretto, perchè l'orecchio umano è in grado in qualche modo di "compensare" l'intervento dell'ambiente. Come dire che - ad esempio- un suono ovattato in un ambiente molto riverberante viene percepito come ovattato, perchè l'orecchio si attende in quell'ambiente un risultato riverberante. 
 
 
cenni alle caratteristiche principali del suono 
 

Il suono è caratterizzato a-dall'altezza, dall' b-volume c-timbro. Vediamo le prime due. 

a-l'altezza 

L'altezza è la differenza tra un suono grave (o basso) e un suono acuto. L'altezza di un suono è strettamente correlata con la lunghezza d'onda. Si diceva che un suono basso è costituito da un'onda di compressione di dimensioni più grandi di uno acuto. Un suono basso ha una lunghezza di metri, uno acuto di cm. Quando si parla dal punto di vista tecnico, alla parola altezza si preferisce la parola frequenza. Ma la frase suona più o meno allo stesso modo: diremo che un suono acuto ha una frequenza più elevata di un suono grave. 

b-il volume.  

Corrisponde all'ampiezza dell'onda. Un'onda con una differenza tra la cresta e l'avvallamento insignificanti non è percepita dall'orecchio umano. Man mano la differenza diviene più marcata essa supera la soglia di udibilità e comincia ad essere percepita; man mano questa differenza aumenta il suono diviene sempre più forte. Quindi, vi è una stretta correlazione tra volume sonoro e ampiezza dell'onda. 
 

la trasduzione elettromeccanica 

In precedenza si è visto che quando una bobina si muove in un campo magnetico, si genera ai suoi capi una corrente. 

Immaginiamo di vedere la bobina B fissata ad una membrana M. Immaginiamo che la membrana M venga fatta oscillare avanti e indietro. Ai capi della bobina B vi sarà una corrente. 

Questa corrente è una corrente alternata, perché la bobina oscilla avanti e indietro: per la legge vista nelle scorse puntate secondo la quale la corrente cambia verso quando cambia la direzione in cui si muove dentro nel campo magnetico. 

Se imprimiamo alla membrana una oscillazione regolare, e rappresentiamo l'andamento della tensione ottenuta, si avrà dunque un diagramma come quello in figura. 

Se acceleriamo l'oscillazione della membrana, si avrà un diagramma come quello disegnato in B, e se l'oscillazione si smorza come quello in C. 

Immaginiamo di avere una membrana abbastanza leggera da essere messa in moto da un suono: la corrente ottenuta riprodurrà le oscillazioni dell'onda sonora che arriva alla membrana. 

Questo è il principio di funzionamento del microfono: le onde sonore sono compressioni e decompressioni di un mezzo di trasmissione (in genere, dell'aria). Queste compressioni e decompressioni meccaniche dell'aria possono imprimere un movimento ad una membrana leggerissima, che trasmette questo movimento ad una bobina immersa in un campo magnetico. Per il fenomeno della corrente indotta, si ottiene ai capi della bobina una corrente che è analoga a quella delle compressioni meccaniche che hanno mosso la membrana. 

Si assiste quindi ad una trasduzione: le onde sonore (compressioni meccaniche dell'aria) sono tradotte in maniera analoga in onde elettriche. 

definizione   

il microfono è un trasduttore elettro-meccanico che traduce le onde meccaniche in onde elettriche. Esso emette una corrente che ha un andamento che è analogo a quello delle compressioni e decompressioni del suono che l'ha generata. 

 
 
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In alto si vede un'onda, che potrebbe essere la rappresentazione grafica di un'onda sonora. Essa è caratterizzata da un'ampiezza e da una frequenza. Più sotto, si vede che l'onda accorcia la sua lunghezza d'onda andando da sinistra a destra. Siccome la frequenza è l'inverso della lunghezza d'onda (come detto nel testo) ecco che questa rappresentazione corrisponde ad un aumento della frequenza.   

Sotto, un'onda che si smorza, e quindi che diminuisce di volume. 

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A suo tempo è stato descritto in questo corso (con i debiti particolari) che muovendo una bobina di un conduttore dentro un campo magnetico (nella figura generato dalla calamita M) si ha ai capi della bobina stessa una corrente detta "indotta". Se la direzione di spostamento della bobina cambia, cambia anche il verso della corrente. (il polo + compare dove c'era il - e viceversa)   

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Quello descritto sopra è il principio di funzionamento del microfono. Nel microfono (l'area in grigio) vi è infatti una calamita, e una bobina che è solidale con una bobina. Il suono (nella figura arriva dal basso) mette in moto la membrana e quindi anche la bobina, che produce a causa del suo spostamento nel campo magnetico una corrente proporzionale al movimento impresso dalla membrana, e quindi proporzionale al suono che è giunto alla capsula

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Alla fine della trasduzione, si ha un'onda elettrica che è proporzionale (istante dopo istante) all'andamento della pressione del suono che l'ha generata. Se osservate la figura sotto, si vedrà che la corrente segue esattamente l'andamento del suono sopra anche se non ha la stessa ampiezza, perchè la corrente è più debole, ed ha bisogno di amplificazione per essere riprodotto a pieno volume.. L'onda è tuttavia analoga al suono, e quindi si dice che si ha un segnale analogico.
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Vi è a sinistra un'onda sonora, costituita da una compressione e decompressione dell'aria. Essa colpisce la membrana del microfono, che è un trasduttore in grado di trasformare la pressione in un segnale elettrico. La corrente rappresenta un segnale "analogo" al suono che l' ha generato. L'altoparlante è un dispositivo analogo al microfono. Immettendo il segnale, questo sposta la bobina che sposta la membrana e quindi produce un suono simile a quello originario.  
 
 
 
------------------------------------- Notate che è stata enfatizzato il fatto che la corrente è analoga al suono, ed infatti il microfono è un trasduttore che produce un segnale elettrico analogico. Il segnale elettrico analogico al giorno d'oggi è spesso tradotto in un segnale digitale, ma questo verrà visto più tardi. 

Teniamo per ora conto del fatto che il microfono ha generato una corrente che è una specie di "codifica" del suono originario. Se si immette questa corrente in un altro trasduttore elettromeccanico, in modo che questa percorra la bobina, ecco che la bobina si accosta o si scosta rispetto al campo magnetico a seconda del verso della corrente che la percorre. Se si fissa alla bobina una membrana, ecco che la membrana andrà avanti e indietro in maniera analoga all' oscillazione che gli ha impresso la bobina, la bobina a sua volta oscilla in modo analogo alla corrente che la percorre, la quale corrente è analoga al suono che l'ha generata. La membrana del secondo trasduttore genera quindi un suono analogo (=simile) a quello originario. 

Abbiamo appena visto il funzionamento di un altoparlante, che in fondo ha uno scopo simmetrico a quello di un microfono. 

In effetti un microfono può funzionare anche come un piccolo altoparlante, e viceversa. Potete sperimentare facilmente questa caratteristica se possedete un impianto Hi-Fi dotato di ingressi per microfono (jack) e per cuffia. Se prendete la cuffia e la mettete negli ingressi per microfono, vi accorgerete che funziona come un microfono. E se la mettete nel jack d'uscita per cuffia, funziona invece come un piccolo altoparlante. 

Ma naturalmente la tecnologia ha prodotto dei dispositivi specializzati, uno ottimizzato per la raccolta del suono e la sua trasduzione in corrente (è il microfono) e l'altro per raccogliere la corrente e produrre un suono (è l'altoparlante). Il microfono deve avere una membrana e una bobina leggerissima per poter essere messo in moto anche da un suono debole (e quindi essere molto "sensibile"). La corrente prodotta in questo modo è troppo debole per poter produrre un suono forte, e viene sempre amplificata. Dopo l'amplificazione, è in grado di muovere una bobina molto più pesante e una membrana molto più grande di quella del microfono. Le membrane degli altoparlanti più comuni per Hi-Fi cono centinaia di volte più grandi e pesanti di quelle di un microfono, e quindi la corrente va amplificata centinaia di volte. 
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